JP2008086185A - Polymer actuator element and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子アクチュエータ素子に関する。また、本発明は高分子アクチュエータ素子の製造方法およびその駆動方法に関する。 The present invention relates to a polymer actuator element. The present invention also relates to a method of manufacturing a polymer actuator element and a driving method thereof.
ポリピロール等に代表される導電性高分子は、導電性を有するだけではなくイオンをドーパントとして取り込むことができ、電圧を印加することによりドーピングと脱ドーピングとを繰り返し行うことができる。そのため、導電性高分子は電気化学的な酸化還元により伸縮もしくは変形する現象である電解伸縮を発現することが可能である。この導電性高分子の電解伸縮は、高分子アクチュエータ素子の駆動として使用することが可能である。 A conductive polymer typified by polypyrrole or the like not only has conductivity but also can incorporate ions as a dopant, and can be repeatedly doped and dedoped by applying a voltage. Therefore, the conductive polymer can exhibit electrolytic expansion and contraction, which is a phenomenon that expands or contracts due to electrochemical oxidation and reduction. This electrolytic expansion and contraction of the conductive polymer can be used as a drive for the polymer actuator element.
導電性高分子を用いたアクチュエータは、軽量であることから組み込まれる装置全体の重量を軽減することが可能であり、マイクロマシン等の小型の駆動装置のみならず、大型の駆動装置として用いられることが期待されている。なかでも特に、人工筋肉、ロボットアーム、義手やアクチュエータ等の用途として応用が期待されている。たとえばポリピロールを用いたリニアアクチュエータは、電解伸縮によって、1酸化還元サイクル当たり最大で15.1%の伸縮率を示し、最大で22MPaの力を発生することができる(たとえば、非特許文献1参照)。 An actuator using a conductive polymer can reduce the weight of the entire device incorporated because it is lightweight, and can be used not only as a small drive device such as a micromachine but also as a large drive device. Expected. In particular, application is expected for uses such as artificial muscles, robot arms, artificial hands and actuators. For example, a linear actuator using polypyrrole exhibits an expansion / contraction ratio of 15.1% at maximum per one oxidation-reduction cycle by electrolytic expansion / contraction, and can generate a force of 22 MPa at maximum (for example, see Non-Patent Document 1). .
しかしながら、導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子は、ドーパントとして一般的なアニオンであるトリフルオロメタンスルホン酸イオンを用いた場合には伸縮等の駆動速度が遅く、たとえば厚さ20μm程度の導電性高分子膜では膜面と平行な方向に特定時間当りに小さな伸縮率でしか伸縮することができなかった。このため、これまでの導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子は、駆動速度が遅くても差しつかえない用途に好適に用いることができるものであった。一方、上述の導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子の駆動に際しては、一定時間内に所定の長さの駆動を実現するために高分子アクチュエータ素子自体のサイズを大きくするなどの工夫が必要であった。 However, a polymer actuator element using a conductive polymer has a slow driving speed such as expansion and contraction when a trifluoromethanesulfonate ion, which is a general anion, is used as a dopant. The polymer film could expand and contract only in a direction parallel to the film surface with a small expansion rate per specific time. For this reason, the polymer actuator element using the conductive polymer until now could be used suitably for the use which may be sufficient even if drive speed is slow. On the other hand, when driving a polymer actuator element using the above-described conductive polymer, it is necessary to devise measures such as increasing the size of the polymer actuator element itself in order to achieve a predetermined length of driving within a certain period of time. Met.
また、特に多孔質支持体を中央に、金属電極層、導電性高分子の順でサンドイッチ状に積層した複合膜を備えたバイモルフ型の高分子アクチュエータ素子では、高分子アクチュエータ素子全体を電解質溶液を含浸させてなるもの、または上記複合膜に電解質溶液を含浸させてなるものであるが、これまでは上記電解質溶液としては水やアセトニトリルなどの低沸点極性溶媒に電解質塩を含む液体が用いられていた。これらの極性溶媒しか用いられていなかったのは、導電性高分子との親和性が高いことや、極性媒体を用いることで電解質塩を均一に分散させやすくまた電荷やイオンの動きを阻害することがないことなどのためであった。 In particular, in the case of a bimorph type polymer actuator element having a composite film in which a porous support is placed in the center, a metal electrode layer, and a conductive polymer laminated in this order in a sandwich shape, the entire polymer actuator element is filled with an electrolyte solution. It is impregnated or the composite membrane is impregnated with an electrolyte solution. Until now, a liquid containing an electrolyte salt in a low boiling polar solvent such as water or acetonitrile has been used as the electrolyte solution. It was. The reason why only these polar solvents were used is that they have a high affinity with conductive polymers, and it is easy to disperse electrolyte salts uniformly by using a polar medium, and also inhibit the movement of charges and ions. It was because there was not.
しかしながら、上記のような低沸点極性溶媒を用いた場合、溶液中から上記高分子アクチュエータ素子を取り出し空気中に上記高分子アクチュエータ素子を設置した状態(すなわち空中駆動型高分子アクチュエータ素子)では、電解質媒体としての低沸点極性溶媒が経時で蒸発してしまうため、経時的に電荷やイオンの移動を生じなくなってしまう。このように、低沸点極性溶媒電解質媒として用いている上記高分子アクチュエータ素子では、被覆無しに空気に曝した状態では初期の駆動(変位量)を数時間も維持することができないことが判明した。また、電解液に代えて固体電解質を用いた提案もなされているが、かかる場合では応答周波数が1Hz程度の非常に緩慢な動作しか出来ないものであった(たとえば、非特許文献2参照)。 However, when the low-boiling polar solvent as described above is used, in the state where the polymer actuator element is taken out from the solution and the polymer actuator element is installed in the air (that is, the air-driven polymer actuator element), the electrolyte Since the low-boiling polar solvent as a medium evaporates with time, no charge or ion movement occurs over time. Thus, it was found that the above-mentioned polymer actuator element used as a low-boiling polar solvent electrolyte medium cannot maintain the initial driving (displacement amount) for several hours when exposed to air without coating. . In addition, a proposal using a solid electrolyte instead of the electrolytic solution has been made, but in such a case, only a very slow operation with a response frequency of about 1 Hz can be performed (see, for example, Non-Patent Document 2).
高分子アクチュエータ素子は反復運動が可能であることが好ましく、樹脂などの被覆は劣化や損傷してしまうこともあるため、被覆等がなく空気中でも数時間以上の連続駆動に耐えられることが期待されつつある。しかしながら、これまでの導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子では、空気中での連続駆動を有し、高周波数にも応答駆動可能なものはいまだ見出されていない。 The polymer actuator element is preferably capable of repetitive movement, and the coating of resin or the like may be deteriorated or damaged. Therefore, it is expected that the polymer actuator element can withstand continuous driving for several hours or more in air without coating. It's getting on. However, until now, no polymer actuator element using a conductive polymer has been found that has continuous driving in air and can be responsively driven even at high frequencies.
そこで、本発明の目的は、常温常圧の開放系において優れた伸縮率と応答速度を示す高分子アクチュエータ素子を提供することである。また、本発明の目的は、上記高分子アクチュエータ素子の製造方法および駆動方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer actuator element exhibiting an excellent expansion / contraction rate and response speed in an open system at room temperature and normal pressure. Moreover, the objective of this invention is providing the manufacturing method and drive method of the said polymer actuator element.
本発明者らは、上記の目的を達成するため、高分子アクチュエータ素子の構成について鋭意検討した結果、下記の手法を用いることにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have intensively studied the configuration of the polymer actuator element. As a result, they have found that the above-described problems can be solved by using the following method, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の高分子アクチュエータ素子は、導電性高分子と駆動電解液を含む高分子アクチュエータ素子であって、
前記駆動電解液が、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液であることを特徴とする。
That is, the polymer actuator element of the present invention is a polymer actuator element containing a conductive polymer and a driving electrolyte,
The driving electrolyte is a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure.
本発明によると、実施例の結果に示すように、上記駆動電解液として常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液を用いることにより、伸縮率と応答速度に優れた高分子アクチュエータ素子となる。上記高分子アクチュエータ素子がかかる特性を発現する理由の詳細は明らかではないが、上記非イオン性有機化合物の拡散性、粘度、イオンの解離のしやすさ、誘電率などがバランスよく作用することにより、本発明における優れた効果を奏すると推測される。また、本発明では、従来と同一の駆動性能を発揮させる場合においても、従来よりも駆動電圧をより低く設定して駆動させることができる。 According to the present invention, as shown in the results of the examples, a polymer actuator element excellent in expansion and contraction rate and response speed can be obtained by using a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure as the driving electrolyte. It becomes. Although the details of the reason why the polymer actuator element exhibits such characteristics are not clear, the diffusibility, viscosity, ease of ion dissociation, dielectric constant, etc. of the nonionic organic compound act in a balanced manner. It is presumed that the present invention has an excellent effect. Further, in the present invention, even when the same driving performance as that of the prior art is exhibited, the driving voltage can be set lower than that of the prior art.
なお、従来の高分子アクチュエータ素子における(電解質)駆動電解液においては、電解質の媒体として非イオン性有機化合物、特に非イオン性高分子化合物が用いられることは皆無であった。これは非イオン性有機化合物を媒体(電解質媒体)として用いることにより、導電性高分子との親和性が低いことや、さらには高分子化合物の分子鎖が高分子電解質(イオン交換樹脂)に絡まってしまうことや、媒体が高分子量体にすることによりイオンなどの電解質の動きを阻害してしまうことなどのためである。さらには、導電性高分子等へ非極性化合物を充填すること自体が困難であった。しかしながら、本発明においては、上記非イオン性有機化合物を含む高分子アクチュエータ素子を用いることにより、上述のような駆動電解液を用いることにより、常温常圧の開放系において優れた伸縮率と応答速度を示す高分子アクチュエータ素子となることを見出したものである。 In the (electrolyte) driving electrolyte solution in the conventional polymer actuator element, a nonionic organic compound, particularly a nonionic polymer compound, has never been used as an electrolyte medium. This is because a nonionic organic compound is used as a medium (electrolyte medium), so that the affinity with the conductive polymer is low, and the molecular chain of the polymer compound is entangled with the polymer electrolyte (ion exchange resin). This is because the movement of electrolytes such as ions is hindered by the high molecular weight medium. Furthermore, it has been difficult to fill the conductive polymer or the like with a nonpolar compound. However, in the present invention, by using the polymer actuator element containing the nonionic organic compound, by using the driving electrolyte as described above, an excellent stretch rate and response speed in an open system at normal temperature and pressure. It has been found that the polymer actuator element exhibits the following.
上記高分子アクチュエータ素子は、多孔質基材の両面にそれぞれ金属電極層を介して前記導電性高分子が配置されている複合膜を備えるものとすることが好ましく、より具体的には、たとえば、多孔質支持体を中央に、金属電極層、導電性高分子の順でサンドイッチ状に積層した複合膜を備えたバイモルフ型の高分子アクチュエータ素子とすることができる。バイモルフ型の高分子アクチュエータ素子では導電性高分子アクチュエータの直同方向の伸縮挙動を構造体の屈曲方向の動きに変換することができるため、本発明の高分子アクチュエータ素子の伸縮挙動をより効率よく大きな屈曲変形として発現することができる。また、上記バイモルフ型の高分子アクチュエータ素子は、上記複合膜に電解質溶液を含浸させることで、駆動時に電解質溶液に高分子アクチュエータ素子を浸漬することなく常温常圧の開放系においても優れた伸縮率と応答速度を示す空中駆動型の高分子アクチュエータ素子としての使用に特に好適である。 The polymer actuator element preferably includes a composite film in which the conductive polymer is disposed on both surfaces of a porous substrate via a metal electrode layer, and more specifically, for example, A bimorph type polymer actuator element including a composite film in which a porous support is laminated in the center in the order of a metal electrode layer and a conductive polymer can be obtained. The bimorph type polymer actuator element can convert the expansion / contraction behavior of the conductive polymer actuator in the same direction to the movement in the bending direction of the structure. Therefore, the expansion / contraction behavior of the polymer actuator element of the present invention can be improved more efficiently. It can be expressed as a large bending deformation. In addition, the bimorph type polymer actuator element has an excellent stretching rate even in an open system at normal temperature and pressure without immersing the polymer actuator element in the electrolyte solution during driving by impregnating the composite membrane with the electrolyte solution. And is particularly suitable for use as an air-driven polymer actuator element that exhibits a response speed.
なお、電気特性や耐久性の観点より、上記多孔質基材が多孔質ポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。 From the viewpoint of electrical properties and durability, the porous substrate is preferably porous polytetrafluoroethylene.
また、本発明においては、上記非イオン性有機化合物が、沸点もしくは分解温度が180℃以上である有機化合物であることが好ましい。かかる有機化合物を用いることにより、応答性の経時的劣化をより効果的に抑えた高分子アクチュエータ素子とすることができる。 In the present invention, the nonionic organic compound is preferably an organic compound having a boiling point or a decomposition temperature of 180 ° C. or higher. By using such an organic compound, it is possible to obtain a polymer actuator element in which deterioration of responsiveness with time is more effectively suppressed.
また、本発明においては、上記非イオン性有機化合物の凝固点または軟化点が0℃以下であることが好ましい。これらの非イオン性有機化合物を用いることにより、特に外気が0℃以下の場合でもより確実に長期間駆動することができるものとなる。 In the present invention, it is preferable that the freezing point or softening point of the nonionic organic compound is 0 ° C. or lower. By using these nonionic organic compounds, even when the outside air is 0 ° C. or less, it can be driven more reliably for a long period of time.
さらに、本発明においては、上記非イオン性有機化合物が、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、および/またはそれらの類縁化合物などであるポリエーテル化合物であることが好ましい。これらの非イオン性有機化合物、特にポリエーテル化合物を用いることにより、常温常圧の開放系において、特に外気の湿度に大きな影響を受けることなく、より長期間、初期の屈曲量または変位量を維持することができるものとなる。 Furthermore, in the present invention, the nonionic organic compound is preferably a polyether compound such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, and / or a similar compound thereof. By using these nonionic organic compounds, especially polyether compounds, in an open system at room temperature and normal pressure, the initial bending amount or displacement amount can be maintained for a longer period without being greatly affected by the humidity of the outside air. Will be able to do.
また、本発明においては、上記駆動電解液中にさらにイオン性液体を含むことができる。上記イオン性液体を用いることにより、常温常圧の開放系において、特に外気の湿度に大きな影響を受けることなく、より長期間、初期の屈曲量または変位量を維持することができるものとなる。 In the present invention, the driving electrolyte may further contain an ionic liquid. By using the ionic liquid, the initial bending amount or displacement amount can be maintained for a longer period in an open system at room temperature and normal pressure without being particularly affected by the humidity of the outside air.
上記イオン性液体としては、
テトラアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリニウムイオン、ピロリジニウムイオン、およびピペリジニウムイオンからなる群より少なくとも一種選ばれたカチオンと、
PF6 −、BF4 −、AlCl4 −、ClO4 −、および下記式(I)
で示されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオンとの組合せからなる塩を含ものが好ましい。
(CmF(2m+1)SO3)(CnF(2n+1)SO2)N− (I)
[上記式(I)において、mおよびnは任意の整数である。]。
As the ionic liquid,
A cation selected from at least one selected from the group consisting of tetraalkylammonium ion, dialkylimidazolium ion, trialkylimidazolium ion, pyrazolium ion, pyrrolium ion, pyrrolium ion, pyrrolidinium ion, and piperidinium ion;
PF 6 − , BF 4 − , AlCl 4 − , ClO 4 − , and the following formula (I)
It is preferable to include a salt composed of a combination with at least one anion selected from the group consisting of sulfonium imide anions represented by formula (1).
(C m F (2m + 1 ) SO 3) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (I)
[In the above formula (I), m and n are arbitrary integers. ].
さらに、上記導電性高分子が分子鎖にピロールおよび/またはピロール誘導体を含むことが好ましい。 Furthermore, the conductive polymer preferably contains pyrrole and / or a pyrrole derivative in the molecular chain.
また、上記導電性高分子が、下記式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンがドープされた膜状導電性高分子であること、
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)N− (1)
〔上記式(1)において、mおよびnは任意の整数。〕、
または、下記式(2)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンがドープされた膜状導電性高分子であること、
(ClF(2l+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)C− (2)
〔上記式(2)において、l、mおよびnは任意の整数。〕、
が好ましい。
Further, the conductive polymer is a film-shaped conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylimide ions represented by the following formula (1):
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (1)
[In the above formula (1), m and n are arbitrary integers. ],
Or a film-like conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylmethide ion represented by the following formula (2):
(C l F (2l + 1 ) SO 2) (C m F (2m + 1) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) C - (2)
[In the above formula (2), l, m and n are arbitrary integers. ],
Is preferred.
また、本発明の高分子アクチュエータ素子は、上記導電性高分子の1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が5%以上であるものとすることができる。 In the polymer actuator element of the present invention, the conductive polymer may have an expansion / contraction rate per oxidation-reduction cycle of 5% or more.
また、本発明の高分子アクチュエータ素子は、上記高分子アクチュエータ素子の応答周波数が100Hz以上であるものとすることができる。 In the polymer actuator element of the present invention, the response frequency of the polymer actuator element may be 100 Hz or more.
一方、本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は、導電性高分子と駆動電解液を含み、前記駆動電解液が常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液である高分子アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記導電性高分子を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記導電性高分子から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする。
On the other hand, the method for producing a polymer actuator element of the present invention includes a polymer actuator element comprising a conductive polymer and a driving electrolyte solution, wherein the driving electrolyte solution is a solution containing a liquid nonionic organic compound at normal temperature and pressure. A manufacturing method of
A first step of immersing the conductive polymer in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under a normal temperature and a normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the conductive polymer;
It is characterized by including.
また、本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は、多孔質基材の両面にそれぞれ金属電極層を介して前記導電性高分子が配置されている複合膜と駆動電解液を含む高分子アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記複合膜を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記複合膜から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする。
The method for producing a polymer actuator element according to the present invention includes a composite film in which the conductive polymer is disposed on both surfaces of a porous base material via metal electrode layers, and a driving electrolyte solution. A manufacturing method of
A first step of immersing the composite membrane in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under normal temperature and normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the composite membrane;
It is characterized by including.
本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は上述のような工程を有するため、従来困難であった非イオン性有機化合物を含む駆動電解液を効率よく簡便に充填することができ、その結果、伸縮率と応答速度に優れた高分子アクチュエータ素子を簡便に製造することができる。 Since the method for producing a polymer actuator element of the present invention includes the steps as described above, it can be efficiently and simply filled with a driving electrolyte containing a nonionic organic compound, which has been difficult in the past. A polymer actuator element excellent in rate and response speed can be easily produced.
他方、本発明の高分子アクチュエータ素子の駆動方法は、上述のいずれかの高分子アクチュエータ素子の金属電極間に電圧を印加する工程を含むことを特徴とする。 On the other hand, the driving method of the polymer actuator element of the present invention includes a step of applying a voltage between the metal electrodes of any of the polymer actuator elements described above.
本発明の高分子アクチュエータ素子は、変位もしくは屈曲の変位を生じる高分子アクチュエータとして、多種多様の実用的用途に容易に用いることができる。特に、上記高分子アクチュエータ素子は常温常圧の開放系において、伸縮率と応答速度に優れた駆動を必要とする用途に好適である。さらには、上記アクチュエータ素子は複雑な機械部品を必要としないため、用いられる装置の小型化および軽量化を容易にすることができる。さらには、上記アクチュエータ素子を、屈曲運動を直線的な運動に変換する装置と組合せることにより、直線的な変位を生じるアクチュエータとすることもできる。直線的な変位もしくは屈曲の変位を生じるアクチュエータは、直線的な駆動力を発生する駆動部、または円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部として用いることができる。さらに、上記アクチュエータ素子は、直線的な動作をする押圧部として用いることもできる。 The polymer actuator element of the present invention can be easily used for a wide variety of practical applications as a polymer actuator that generates displacement or bending displacement. In particular, the polymer actuator element is suitable for applications that require driving with excellent stretch rate and response speed in an open system at room temperature and normal pressure. Furthermore, since the actuator element does not require complicated mechanical parts, the apparatus used can be easily reduced in size and weight. Furthermore, the actuator element can be an actuator that generates a linear displacement by combining the actuator element with a device that converts a bending motion into a linear motion. An actuator that generates a linear displacement or a bending displacement can be used as a driving unit that generates a linear driving force or a driving unit that generates a driving force for moving a track-type orbit made of an arc portion. . Further, the actuator element can be used as a pressing portion that performs a linear operation.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明の高分子アクチュエータ素子は、導電性高分子と駆動電解液を含む高分子アクチュエータ素子であって、
前記駆動電解液が、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液であることを特徴とする。
The polymer actuator element of the present invention is a polymer actuator element containing a conductive polymer and a driving electrolyte,
The driving electrolyte is a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure.
(駆動電解液)
本発明に用いられる駆動電解液は、上記高分子アクチュエータ素子が電圧印可により駆動するための電解質を含み、上記電解質を溶解するための溶媒として用いられる。本発明においては、上記電解質を溶解する溶媒として常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液を用いることができる。駆動電解液として上記溶液を含むことにより、上記高分子アクチュエータ素子は、一定の電圧を与えた状態における時間に対する伸縮量(駆動速度)を測定した場合、大きな駆動速度を示すことができる。
(Drive electrolyte)
The driving electrolyte used in the present invention includes an electrolyte for driving the polymer actuator element by applying a voltage, and is used as a solvent for dissolving the electrolyte. In the present invention, a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure can be used as a solvent for dissolving the electrolyte. By including the above solution as the driving electrolyte, the polymer actuator element can exhibit a large driving speed when the amount of expansion and contraction (driving speed) with respect to time in a state where a constant voltage is applied is measured.
上記高分子アクチュエータ素子は、上記電解質中に常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、なかでも沸点もしくは分解温度が180℃以上であり常温常圧下で液状の有機化合物やポリエーテル化合物を含むことによって、常温常圧の開放系であってもアクチュエータ素子の屈曲量または変位量の経時による変化が生じにくい。そのため、上記高分子アクチュエータ素子は、溶液の外部、すなわち開放系である空気中での駆動も可能であり、しかも電解質の媒体溶液の蒸発がほとんど無いので長期間の駆動に好適である。 The polymer actuator element contains a nonionic organic compound that is liquid at room temperature and normal pressure, particularly a liquid organic compound or polyether compound that has a boiling point or decomposition temperature of 180 ° C. or higher and is liquid at room temperature and normal pressure. Therefore, even in an open system at room temperature and normal pressure, the bending amount or the displacement amount of the actuator element hardly changes over time. Therefore, the polymer actuator element can be driven outside the solution, that is, in the open air, and is suitable for long-term driving because there is almost no evaporation of the electrolyte medium solution.
上記非イオン性有機化合物は、イオン性官能基やイオン性部位を分子構造中に有していないものであれば特に限定されず適宜用いることができる。上記有機化合物としては、電荷のキャリアとなるイオンを含む塩の溶媒となることができる有機化合物、または電荷のキャリアとなることができる有機化合物であればよい。 The nonionic organic compound is not particularly limited as long as it does not have an ionic functional group or ionic moiety in the molecular structure, and can be used as appropriate. The organic compound may be any organic compound that can serve as a salt solvent containing ions that serve as charge carriers, or any organic compound that can serve as charge carriers.
上記非イオン性有機化合物は、180℃以上の沸点または分解温度を有し、常温常圧下で液状であることが好ましく、さらに溶媒としての機能も有することが好ましい。また、245℃以上の沸点を有する有機溶媒であることがより好ましい。これらの化合物は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 The nonionic organic compound has a boiling point or decomposition temperature of 180 ° C. or higher, is preferably liquid at normal temperature and pressure, and preferably has a function as a solvent. Further, an organic solvent having a boiling point of 245 ° C. or higher is more preferable. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
また、本発明においては、上記非イオン性有機化合物の凝固点または軟化点が0℃以下であることが好ましい。これらの非イオン性有機化合物を用いることにより、特に外気が0℃以下の場合でもより確実に長期間駆動することができるものとなる。 In the present invention, it is preferable that the freezing point or softening point of the nonionic organic compound is 0 ° C. or lower. By using these nonionic organic compounds, even when the outside air is 0 ° C. or less, it can be driven more reliably for a long period of time.
上記非イオン性有機化合物としては、たとえば、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、プロピレンカーボネート、ブチロラクトン、ポリエーテル化合物などをあげることができる。なかでも、たとえば、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、ポリエーテル化合物などが好ましく、さらにはポリエーテル化合物を用いることが、バランスの良い駆動性能と共に、より長期の耐久性を得ることができるため、特に好ましい。 Examples of the nonionic organic compound include diethylene glycol, glycerin, sulfolane, propylene carbonate, butyrolactone, and polyether compounds. Among these, for example, diethylene glycol, glycerin, sulfolane, polyether compounds, and the like are preferable. Furthermore, the use of a polyether compound is particularly preferable because long-term durability can be obtained with well-balanced driving performance.
また、上記ポリエーテル化合物は、常温常圧下で液状であれば、特に限定されるものではない。上記ポリエーテル化合物は、溶媒としての機能も有することが好ましい。上記ポリエーテル化合物としては、電荷のキャリアとなるイオンを含む塩の溶媒となることができるポリエーテル化合物、または電荷のキャリアとなることができるポリエーテル化合物であればよい。これらのポリエーテル化合物は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 Moreover, the said polyether compound will not be specifically limited if it is a liquid under normal temperature normal pressure. The polyether compound preferably has a function as a solvent. The polyether compound may be any polyether compound that can serve as a salt solvent containing ions that serve as charge carriers, or any polyether compound that can serve as charge carriers. These polyether compounds may be used alone or in combination of two or more.
上記ポリエーテル化合物は、アルキレンオキシド(オキシアルキレン)ユニットなどのエーテル構造を繰り返し単位として有する化合物であれば、特に限定されるものではないが、なかでも、エチレンオキシド(オキシエチレン)ユニットやプロピレンオキシド(オキシプロピレン)などを繰り返し単位として有する化合物であることがより好ましい。 The polyether compound is not particularly limited as long as it is a compound having an ether structure as a repeating unit, such as an alkylene oxide (oxyalkylene) unit, among which an ethylene oxide (oxyethylene) unit or a propylene oxide (oxygen) More preferred is a compound having propylene) or the like as a repeating unit.
上記ポリエーテル化合物としては、アルキレンオキシド(オキシアルキレン)ユニットなどのオキシアルキレン単位の付加モル数(繰り返し単位数)を3単位以上繰り返す構造を有するものがあげられ、これらを直線状または分岐状に高分子量化したホモポリマーおよびコポリマー、ならびにこれらの高分子構造を含む化合物およびこれらの類縁体やエーテル型界面活性剤、エーテル型可塑剤があげられる。 Examples of the polyether compound include those having a structure in which the number of added moles (number of repeating units) of an oxyalkylene unit such as an alkylene oxide (oxyalkylene) unit is repeated by 3 units or more. Examples thereof include homopolymers and copolymers having molecular weights, compounds containing these polymer structures, analogs thereof, ether type surfactants, and ether type plasticizers.
より具体的には、上記ポリエーテル化合物としては、たとえば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールの共重合体(ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール)などのポリアルキレングリコール、ポリオキシエチレンラウリル硫酸トリエタノールアミン、ポリオキシエチレンラウリル硫酸ナトリウム、ポリオキシエチレンメチルグルコシド、ポリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサエート、テトラエチレングリコール−2−エチルヘキサエート、ポリエーテルオール化合物、およびこれらの類縁体があげられる。なかでも特に、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、および/またはそれらの類縁化合物などを用いることが好ましい。 More specifically, examples of the polyether compound include polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyalkylene glycol such as polyethylene glycol and polypropylene glycol copolymer (polyoxyethylene polyoxypropylene glycol), and polyoxyethylene lauryl sulfate. Examples include triethanolamine, sodium polyoxyethylene lauryl sulfate, polyoxyethylene methyl glucoside, polyethylene glycol di-2-ethyl hexaate, tetraethylene glycol-2-ethyl hexaate, polyetherol compounds, and analogs thereof. . Among these, it is particularly preferable to use polyethylene glycol, polypropylene glycol, and / or related compounds thereof.
上記ポリアルキレングリコールとしては、より具体的には、たとえば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコールの共重合体(ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール)としては、たとえば、ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールのブロック共重合体、ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコールのブロック共重合体、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコールのブロック共重合体、ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコールのランダム共重合体などをあげることができる。また、グリコール鎖の末端は、水酸基のままであっても、アルキル基、フェニル基などで置換されていてもよい。これらの化合物は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 More specifically, examples of the polyalkylene glycol include, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, and a polypropylene glycol copolymer (polyoxyethylene polyoxypropylene glycol) such as polypropylene glycol-polyethylene glycol-polypropylene glycol. Examples thereof include a block copolymer, a block copolymer of polypropylene glycol-polyethylene glycol, a block copolymer of polyethylene glycol-polypropylene glycol-polyethylene glycol, and a random copolymer of polypropylene glycol-polyethylene glycol. Further, the end of the glycol chain may be a hydroxyl group or may be substituted with an alkyl group, a phenyl group or the like. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
上記エーテル型界面活性剤としては、たとえば、ポリオキシエチレンラウリル硫酸トリエタノールアミン、ポリオキシエチレンラウリル硫酸ナトリウムなどのポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル塩類などをあげることができる。これらの化合物は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 Examples of the ether surfactant include polyoxyalkylene alkyl ether sulfates such as polyoxyethylene lauryl sulfate triethanolamine and polyoxyethylene lauryl sodium sulfate. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
上記ポリエーテル化合物のオキシアルキレン単位の付加モル数(繰り返し単位数)としては、イオンとの相互作用の観点から、3〜100が好ましく、4〜80がより好ましく、5〜10がより好ましい。オキシアルキレン単位の付加モル数が3未満であると、電解質中の媒体の揮発性が大きくなることや吸湿性が低下することなどから経時による駆動性能の維持が困難となる場合がある。 The added mole number (number of repeating units) of the oxyalkylene unit of the polyether compound is preferably 3 to 100, more preferably 4 to 80, and more preferably 5 to 10 from the viewpoint of interaction with ions. When the added mole number of the oxyalkylene unit is less than 3, it may be difficult to maintain the driving performance over time because the volatility of the medium in the electrolyte increases and the hygroscopicity decreases.
上記ポリエーテル化合物含有化合物の分子量としては、常温常圧下で液状であれば特に限定されないが、数平均分子量が1000以下のものが好適に用いられ、200〜800のものがより好適に用いられ、300〜600のものがさらに好適に用いられる。数平均分子量が1000を超えると、常温常圧下で固化してしまう場合があり好ましくない。数平均分子量はGPC(ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー)により測定して得られたものをいう。 The molecular weight of the polyether compound-containing compound is not particularly limited as long as it is liquid at room temperature and normal pressure, but those having a number average molecular weight of 1000 or less are suitably used, those having 200 to 800 are more suitably used, The thing of 300-600 is used more suitably. When the number average molecular weight exceeds 1000, it may be solidified under normal temperature and pressure, which is not preferable. The number average molecular weight is obtained by measuring by GPC (gel permeation chromatography).
上記非イオン性有機化合物は単独で用いてもよいし、また2種以上を混合して使用してもよいが、配合量としては、電解液100重量部に対して、0.01〜100重量部であることが好ましく、0.05〜50重量部であることがより好ましく、0.1〜30重量部であることがさらに好ましい。0.01重量部未満であると十分な経時的耐久性が得られない場合があり、100重量部を超えると駆動周波数が低下する場合がある。 The nonionic organic compound may be used singly or in combination of two or more, but the blending amount is 0.01 to 100 weights with respect to 100 parts by weight of the electrolytic solution. Parts, preferably 0.05 to 50 parts by weight, more preferably 0.1 to 30 parts by weight. If the amount is less than 0.01 parts by weight, sufficient durability over time may not be obtained, and if the amount exceeds 100 parts by weight, the drive frequency may decrease.
また、特に上記ポリエーテル化合物を用いる場合には、上記ポリエーテル化合物は単独で用いてもよいし、また2種以上を混合して使用してもよいが、配合量としては、電解液100重量部に対して、0.01〜10重量部であることが好ましく、0.05〜5重量部であることがより好ましく、0.1〜1重量部であることがさらに好ましい。0.01重量部未満であると十分な耐久性が得られず、10重量部を超えると上記ポリエーテル化合物がブリードする場合がある。上記ポリエーテル化合物を電解質中に含むことにより、上記高分子アクチュエータ素子を密閉しない状態であっても、1ヶ月後に100Hz以上の応答駆動を行うことができる。 In particular, when the above polyether compound is used, the above polyether compound may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. The amount is preferably 0.01 to 10 parts by weight, more preferably 0.05 to 5 parts by weight, and still more preferably 0.1 to 1 part by weight with respect to parts. If it is less than 0.01 part by weight, sufficient durability cannot be obtained, and if it exceeds 10 parts by weight, the polyether compound may bleed. By including the polyether compound in the electrolyte, even if the polymer actuator element is not sealed, a response drive of 100 Hz or more can be performed after one month.
さらに、上記駆動電解液には、電解質としてアニオンが含まれる。上記アニオンは、ドーパントイオンとして、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、BF4 −、PF6 −やパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることができる。また、上記アニオンは、たとえば、Na+、K+、Li+等とカチオンと対イオンを形成した電解質塩を用いてもよい。 Further, the driving electrolyte contains an anion as an electrolyte. The anion can use trifluoromethanesulfonic acid ions, BF 4 − , PF 6 − or perfluoroalkylsulfonylimide ions as dopant ions. In addition, as the anion, for example, an electrolyte salt that forms a counter ion with a cation with Na + , K + , Li +, or the like may be used.
上記電解質塩としては、たとえば、上記アニオンのリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩などをあげることができるが、なかでもリチウムパーフルオロアルキルスルホニルイミドが好ましい。 Examples of the electrolyte salt include lithium salts, sodium salts, potassium salts, and the like of the anions. Among them, lithium perfluoroalkylsulfonylimide is preferable.
上記電解質として電解質塩が加えられる場合、上記駆動電解液100重量部に対して、上記電解質塩が1〜90重量部含まれることが好ましく、5〜75重量部含まれることがより好ましく、10〜50重量部含まれることが特に好ましい。 When an electrolyte salt is added as the electrolyte, the electrolyte salt is preferably included in an amount of 1 to 90 parts by weight, more preferably 5 to 75 parts by weight, with respect to 100 parts by weight of the driving electrolyte. It is particularly preferable that 50 parts by weight is contained.
また、本発明においては、上記駆動電解液中にさらにイオン性液体を含むことができる。上記イオン性液体を用いることにより、常温常圧の開放系において、特に外気の湿度に大きな影響を受けることなく、より長期間、初期の屈曲量または変位量を維持することができるものとなる。 In the present invention, the driving electrolyte may further contain an ionic liquid. By using the ionic liquid, the initial bending amount or displacement amount can be maintained for a longer period in an open system at room temperature and normal pressure without being particularly affected by the humidity of the outside air.
上記イオン性液体は、常温溶融塩とも呼ばれるものであり、室温(25℃程度)での蒸気圧がほとんどない。そのため、上記高分子電解質が上記ポリエーテル化合物およびイオン性液体で膨潤した状態である本発明の高分子アクチュエータ素子は、数ヶ月程度の長期間でも初期とほぼ同等の屈曲または変位をすることができる。 The ionic liquid is also called a room temperature molten salt and has almost no vapor pressure at room temperature (about 25 ° C.). Therefore, the polymer actuator element of the present invention in which the polymer electrolyte is swollen with the polyether compound and the ionic liquid can bend or displace substantially the same as the initial state even for a long period of about several months. .
また、上記イオン性液体は、特に限定されないで用いることができる。なかでも、上記イオン性液体が、テトラアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオンなどのイミダゾリウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリニウムイオン、ピロリジニウムイオン、およびピペリジニウムイオンからなる群より少なくとも一種選ばれたカチオンと、PF6 −、BF4 −、AlCl4 −、ClO4 −、および下記式(I)で示されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオンとの組合せからなる塩を含むことが好ましい。これらのイオン性液体は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO3)N− (I)
[上記式(I)において、mおよびnは任意の整数である。]。
The ionic liquid can be used without any particular limitation. Among these, the ionic liquid is composed of imidazolium ions such as tetraalkylammonium ions, dialkylimidazolium ions, trialkylimidazolium ions, pyrazolium ions, pyrrolium ions, pyrrolium ions, pyrrolidinium ions, and piperidinium ions. At least one cation selected from the group consisting of PF 6 − , BF 4 − , AlCl 4 − , ClO 4 − , and at least one anion selected from the group consisting of sulfonium imide anions represented by the following formula (I): It is preferable that the salt which consists of a combination of these is included. These ionic liquids may be used alone or in combination of two or more.
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 3) N - (I)
[In the above formula (I), m and n are arbitrary integers. ].
上記テトラアルキルアンモニウムイオンとしては、たとえば、トリメチルプロピルアンモニウム、トリメチルヘキシルアンモニウム、テトラペンチルアンモニウムなどをあげることができる。 Examples of the tetraalkylammonium ion include trimethylpropylammonium, trimethylhexylammonium, tetrapentylammonium, and the like.
上記イミダゾリウムカチオンとしては、たとえば、ジアルキルイミダゾリウムイオンおよび/またはトリアルキルイミダゾリウムイオンなどをあげることができる。より具体的には、上記イミダゾリウムカチオンとしては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−へキシル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the imidazolium cation include a dialkyl imidazolium ion and / or a trialkyl imidazolium ion. More specifically, examples of the imidazolium cation include 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-propyl-3-methylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazolium ion, and 1-hexyl. -3-methylimidazolium ion, 1,3-dimethylimidazolium ion, 1-methyl-3-ethylimidazolium ion, 1,2,3-trimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazolium Ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium ion, and the like.
上記アルキルピリジニウムイオンとしては、たとえば、N−メチルピリジニウムイオン、N−エチルピリジニウムイオン、N−プロピルピリジニウムイオン、N−ブチルピリジニウムイオン、1−エチル−2−メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−4−メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−2,4−ジメチルビリジニウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the alkylpyridinium ion include N-methylpyridinium ion, N-ethylpyridinium ion, N-propylpyridinium ion, N-butylpyridinium ion, 1-ethyl-2-methylpyridinium ion, and 1-butyl-4-methyl. Examples thereof include pyridinium ions and 1-butyl-2,4-dimethylviridinium ions.
上記ピロリウムカチオンとしては、たとえば、1,1−ジメチルピロリウムイオン、1−エチル−1−メチルピロリウムイオン、1−メチル−1−プロピルピロリウムイオン、1−ブチル−1−メチルピロリウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the pyrrolium cation include 1,1-dimethylpyrrolium ion, 1-ethyl-1-methylpyrrolium ion, 1-methyl-1-propylpyrrolium ion, 1-butyl-1-methylpyrrolium ion, and the like. Can do.
上記ピラゾリウムカチオンとしては、たとえば、1,2−ジメチルピラゾリウムイオン、1−エチル−2−メチルピラゾリウムイオン、1−プロピル−2−メチルピラゾリウムイオン、1−ブチル−2−メチルピラゾリウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the pyrazolium cation include 1,2-dimethylpyrazolium ion, 1-ethyl-2-methylpyrazolium ion, 1-propyl-2-methylpyrazolium ion, and 1-butyl-2-methylpyrazolizion. Um ion etc. can be raised.
上記ピロリニウムカチオンとしては、たとえば、1,2−ジメチルピロリニウムイオン、1−エチル−2−メチルピロリニウムイオン、1−プロピル−2−メチルピロリニウムイオン、1−ブチル−2−メチルピロリニウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the pyrrolium cation include 1,2-dimethylpyrrolium ion, 1-ethyl-2-methylpyrrolium ion, 1-propyl-2-methylpyrrolium ion, and 1-butyl-2-methylpyrrolium ion. Etc.
上記ピロリジニウムカチオンとしては、たとえば、1,1−ジメチルピロリジニウムイオン、1−エチル−1−メチルピロリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピロリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the pyrrolidinium cation include 1,1-dimethylpyrrolidinium ion, 1-ethyl-1-methylpyrrolidinium ion, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium ion, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium. Um ion etc. can be raised.
上記ピベリジニウムカチオンとしては、たとえば、1,1−ジメチルピペリジニウムイオン、1−エチル−1−メチルピペリジニウムイオン、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムイオン、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムイオンなどをあげることができる。 Examples of the piperidinium cation include 1,1-dimethylpiperidinium ion, 1-ethyl-1-methylpiperidinium ion, 1-methyl-1-propylpiperidinium ion, 1-butyl-1-methylpipe. Lizinium ions can be used.
上記イオン性液体は、上記アニオンと上記カチオンとの組み合わせが特に限定されるものではないが、たとえば、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホイミド(EMITFSI)、1−メチル−3−イミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4)、1−メチル−3−イミダゾリウムヘキサフルオロリン酸(EMIPF6)、トリメチルプロピルアンモニウムトリフルオロメタンスルホイミド、1−へキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−へキシル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸、1−へキシル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホイミドなどを用いることができる。 In the ionic liquid, the combination of the anion and the cation is not particularly limited. For example, 1-methyl-3-ethylimidazolium trifluoromethanesulfimide (EMITFSI), 1-methyl-3-imidazo Rium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ), 1-methyl-3-imidazolium hexafluorophosphoric acid (EMIPF 6 ), trimethylpropylammonium trifluoromethanesulfonimide, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1- Hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphoric acid, 1-hexyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonimide, or the like can be used.
本発明の高分子アクチュエータ素子において、上記高分子電解質が上記非イオン性有機化合物、なかでもポリエーテル化合物、および上記イオン性液体を含むことにより、大気圧下(常温常圧下もしくは0℃以下)で1000時間程度放置しても上記高分子アクチュエータ素子は駆動することができる。 In the polymer actuator element of the present invention, the polymer electrolyte contains the nonionic organic compound, particularly the polyether compound, and the ionic liquid, so that it can be used at atmospheric pressure (normal temperature or normal pressure or 0 ° C. or less). The polymer actuator element can be driven even after being left for about 1000 hours.
上記イオン性液体は単独で用いてもよいし、また2種以上を混合して使用してもよいが、イオン性液体を併用する場合には、イオン性液体の配合量としては、上記駆動電解質溶液100重量部中、上記イオン性液体が2〜80重量%であることが好ましく、10〜60重量%含まれることがより好ましく、20〜50重量%含まれることがさらに好ましい。2重量%未満であると添加効果が十分には選られない場合があり、80重量%を超えるとブリードアウト(イオン性液体(イオン流体)の分離析出)する場合がある。 The ionic liquid may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. When the ionic liquid is used in combination, the amount of the ionic liquid used is the driving electrolyte. In 100 parts by weight of the solution, the ionic liquid is preferably 2 to 80% by weight, more preferably 10 to 60% by weight, and further preferably 20 to 50% by weight. If it is less than 2% by weight, the effect of addition may not be sufficiently selected, and if it exceeds 80% by weight, bleed out (separation and precipitation of ionic liquid (ionic fluid)) may occur.
さらには、上記駆動電解液において、より速い駆動速度を得るために、上記高分子アクチュエータ素子に含まれる導電性高分子のバルク中に下記式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含み、かつ、上記駆動電解液中にも下記式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含むことがより好ましい。
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)N− (1)
〔上記式(1)において、mおよびnは任意の整数。〕。
Furthermore, in order to obtain a higher driving speed in the driving electrolyte, a perfluoroalkylsulfonylimide ion represented by the following formula (1) is contained in the bulk of the conductive polymer contained in the polymer actuator element. It is more preferable that the driving electrolyte contains a perfluoroalkylsulfonylimide ion represented by the following formula (1).
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (1)
[In the above formula (1), m and n are arbitrary integers. ].
また、上記駆動電解液において、より速い駆動速度を得るために、上記高分子アクチュエータ素子に含まれる導電性高分子のバルク中に下記式(2)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンを含み、かつ、上記駆動電解液中にも下記式(2)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンを含むことがより好ましい。
(ClF(2l+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)C− (2)
〔上記式(2)において、l、mおよびnは任意の整数。〕。
Further, in order to obtain a higher driving speed in the driving electrolyte, perfluoroalkylsulfonylmethide ion represented by the following formula (2) is contained in the bulk of the conductive polymer contained in the polymer actuator element. It is more preferable that the driving electrolyte contains a perfluoroalkylsulfonylmethide ion represented by the following formula (2).
(C l F (2l + 1 ) SO 2) (C m F (2m + 1) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) C - (2)
[In the above formula (2), l, m and n are arbitrary integers. ].
これらのドーパントイオンを含むことにより、上記導電性高分子のバルク中に上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンが取り込まれ、または放出されて、導電性高分子が大きな伸縮運動をすることができるので、上記高分子アクチュエータ素子は、従来の導電性高分子の電解伸縮方法に比べて、速い駆動速度を示すことができる。 By containing these dopant ions, the perfluoroalkylsulfonylimide or perfluoroalkylsulfonylmethide ion is taken into or released from the bulk of the conductive polymer, and the conductive polymer has a large stretching motion. Therefore, the polymer actuator element can exhibit a higher driving speed than the conventional electroconductive polymer electrostretching method.
なお、本発明の高分子アクチュエータ素子においては、特定の形状を有し、かつ導電性高分子を含んでなる導電性高分子有形物に含まれるアニオンと同じアニオンが、上記作動電解液中に含まれることが好ましい。上記高分子アクチュエータ素子に用いられた導電性高分子のバルク中に含まれ、ドーパントとして機能し得るアニオンと同じアニオンが上記作動電解液中に含まれることにより、導電性高分子バルク中への出入りが容易となりやすく、所望の伸縮量の電解伸縮を容易に得ることができる。また、上記駆動電解液中に含まれるアニオンがパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンである場合には、上記駆動電解液中で電解伸縮をさせる導電性高分子有形物の製造用電解液中に含まれるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンとイオン半径が同程度であることが、電解伸縮を容易に行うことができるので好ましい。 In the polymer actuator element of the present invention, the working electrolyte contains the same anion as the anion contained in the conductive polymer tangible material having a specific shape and containing the conductive polymer. It is preferred that The conductive electrolyte used in the polymer actuator element contains the same anion as the anion that can function as a dopant in the working electrolyte solution. Therefore, it is possible to easily obtain a desired amount of electrolytic expansion / contraction. In addition, when the anion contained in the driving electrolyte is perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion, production of a conductive polymer tangible material that causes electrolytic stretching in the driving electrolyte It is preferable that the ionic radius is the same as that of perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion contained in the electrolyte for electrolysis because the electrolytic expansion and contraction can be easily performed.
(高分子アクチュエータ素子)
本発明の高分子アクチュエータ素子は、上記の駆動電解液を含むものであって、電圧を印加することにより、電解伸縮により駆動することができる導電性高分子を含むものであれば、特に限定されるものではない。
(Polymer actuator element)
The polymer actuator element of the present invention is particularly limited as long as it contains the above-described driving electrolyte and contains a conductive polymer that can be driven by electrolytic expansion and contraction by applying a voltage. It is not something.
上記導電性高分子は、バルクとしての形状が特に限定されるものではなく、膜状体、筒状体、円柱状体、角柱状や六角柱状等の多角柱状体、円錐状体、板状体、直方体状体などの、特定の形状であればよい。上記導電性高分子が、特定の形状の有形物として高分子アクチュエータ素子の一部もしくは全体を構成することにより、導電性高分子への電圧印可による電解伸縮により上記導電性高分子が容易に駆動することができる。 The conductive polymer is not particularly limited in shape as a bulk, but is a film-like body, a cylindrical body, a cylindrical body, a polygonal columnar body such as a prismatic or hexagonal column, a conical body, or a plate-shaped body. Any specific shape such as a rectangular parallelepiped may be used. When the conductive polymer constitutes a part or the whole of the polymer actuator element as a tangible object having a specific shape, the conductive polymer can be easily driven by electrolytic expansion and contraction by applying voltage to the conductive polymer. can do.
上記高分子アクチュエータ素子の形状としては、上記の形状以外にも使用状況に適した形状に適宜形成することができる。また、本願発明の高分子アクチュエータ素子の形状に保護部材等の部品を付加して所望の形状とすることができる。なお、上記高分子アクチュエータ素子は、電解重合により作用電極上に得られた導電性高分子膜をそのまま用いてもよく、積層等の成形を施して、所望の形状にしてもよい。さらに、対極についても、柱状に限定されるものではなく、板状等の形状にすることができる。 As the shape of the polymer actuator element, besides the above shape, it can be appropriately formed into a shape suitable for the use situation. Moreover, components, such as a protection member, can be added to the shape of the polymer actuator element of this invention, and it can be set as a desired shape. For the polymer actuator element, the conductive polymer film obtained on the working electrode by electrolytic polymerization may be used as it is, or may be formed into a desired shape by forming such as lamination. Furthermore, the counter electrode is not limited to a columnar shape, and may be a plate shape or the like.
上記導電性高分子は、ドーパントとしてのアニオンを、該導電性高分子へのドーピングおよび脱ドーピングすることができるものであれば、特に限定されるものではない。上記ドーパントは、必要とされる電解伸縮量や用途等に応じて、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、BF4 −、PF6 −、過塩素酸イオンやパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることができる。 The conductive polymer is not particularly limited as long as the conductive polymer can be doped and dedoped with an anion as a dopant. As the dopant, trifluoromethanesulfonic acid ion, BF 4 − , PF 6 − , perchloric acid ion or perfluoroalkylsulfonylimide ion can be used according to the required amount of electrolytic expansion and contraction, application, and the like.
特に、上記導電性高分子として、上記導電性高分子が、下記式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンがドープされた膜状導電性高分子を用いること、
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)N− (1)
〔上記式(1)において、mおよびnは任意の整数。〕、
または、上記導電性高分子として、下記式(2)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンがドープされた膜状導電性高分子を用いること、
(ClF(2l+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)C− (2)
〔上記式(2)において、l、mおよびnは任意の整数。〕、
が、より速い駆動速度を得ることができるために好ましい。
In particular, as the conductive polymer, the conductive polymer is a film-shaped conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylimide ions represented by the following formula (1):
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (1)
[In the above formula (1), m and n are arbitrary integers. ],
Alternatively, as the conductive polymer, a film-shaped conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylmethide ion represented by the following formula (2) is used.
(C l F (2l + 1 ) SO 2) (C m F (2m + 1) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) C - (2)
[In the above formula (2), l, m and n are arbitrary integers. ],
However, it is preferable because a higher driving speed can be obtained.
上述のようにパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンをバルク中に含む導電性高分子は、1酸化還元サイクル当たりの大きな伸縮率をも発揮することもできる。これらの上記アニオンは、トリフルオロメタンスルホン酸イオン等の従来のドーパントに比べてより大きな分子サイズを有する。したがって、所定形状を有する導電性高分子の有形物では、パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンが内部に存在することになるが、印加する電圧の正負の切り替えを繰り返すことにより、これらのより大きな分子サイズのアニオンが導電性高分子の有形物から出入りし、その結果、1酸化還元サイクル当たりの大きな電解伸縮をすることができると推測している。 As described above, the conductive polymer containing perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion in the bulk can also exhibit a large expansion / contraction rate per one oxidation-reduction cycle. These anions have a larger molecular size than conventional dopants such as trifluoromethanesulfonate ions. Therefore, perfluoroalkylsulfonylimide ions or perfluoroalkylsulfonylmethide ions are present inside a tangible material of a conductive polymer having a predetermined shape, but by repeatedly switching the applied voltage between positive and negative. It is speculated that these larger molecular-size anions enter and exit the conductive polymer tangible material, and as a result, can perform large electrolytic expansion and contraction per one redox cycle.
上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、アニオン中心である窒素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である2つのパーフルオロアルキル基を有している。このパーフルオロアルキルスルホニル基は、一つはCnF(2n+1)SO2で表され、他のパーフルオロアルキルスルホニル基は、CmF(2m+1)SO2で表される。 In the perfluoroalkylsulfonylimide ion, a sulfonyl group is bonded to a nitrogen atom that is the center of an anion, and further, there are two perfluoroalkyl groups that are substituents. One of the perfluoroalkylsulfonyl groups is represented by C n F (2n + 1) SO 2 , and the other perfluoroalkylsulfonyl group is represented by C m F (2m + 1) SO 2 .
上記のmおよびnは、それぞれ1以上の任意の整数であり、mとnとが同じ整数であってもよく、nとmとが異なる整数であってもよい。たとえば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ウンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基などをあげることができる。上記パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩としては、たとえば、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド塩、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド塩、ビス(ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル)イミド塩などを用いることができる。 The above m and n are each an arbitrary integer of 1 or more, and m and n may be the same integer, or n and m may be different integers. For example, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, heptafluoropropyl group, nonafluorobutyl group, undecafluoropentyl group, tridecafluorohexyl group, pentadecafluoroheptyl group, heptadecafluorooctyl group, etc. it can. Examples of the perfluoroalkylsulfonylimide salt include bis (trifluoromethylsulfonyl) imide salt, bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide salt, and bis (heptadecafluorooctylsulfonyl) imide salt.
また、上記パーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンは、アニオン中心である炭素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である2つのパーフルオロアルキル基を有している。このパーフルオロアルキルスルホニル基は、一つはCnF2n+1SO2で表され、他のパーフルオロアルキルスルホニル基はCmF2m+1SO2、さらにClF21+1SO2で表される。 The perfluoroalkylsulfonylmethide ion has a sulfonyl group bonded to the carbon atom that is the center of the anion, and further has two perfluoroalkyl groups that are substituents. One of the perfluoroalkylsulfonyl groups is represented by C n F 2n + 1 SO 2 , and the other perfluoroalkylsulfonyl group is represented by C m F 2m + 1 SO 2 , and further C l F 21 + 1 SO 2 .
上記のl、m、およびnは、それぞれ1以上の任意の整数であり、l、m、およびnが同じ整数であってもよく、l、m、およびnが異なる整数であってもよい。たとえば、トリフルオロメチルスルホニル基、ペンタフルオロエチルスルホニル基、ヘプタフルオロプロピルスルホニル基、ノナフルオロブチルスルホニル基、ウンデカフルオロペンチルスルホニル基、トリデカフルオロヘキシルスルホニル基、ペンタデカフルオロヘプチルスルホニル基、ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル基などをあげることができる。上記パーフルオロアルキルスルホニルメチド塩としては、たとえば、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド塩、トリス(ペンタフルオロエチルスルホニル)メチド塩、トリス(ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル)メチド塩を用いることができる。中でも、本発明の態様として、上記メチドイオンが上記式1においてl=1、m=1、n=1、または上記式3においてn=1であるトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチドイオンなどを用いることが好ましい。 The above-mentioned l, m, and n are each an arbitrary integer of 1 or more, and l, m, and n may be the same integer, and l, m, and n may be different integers. For example, trifluoromethylsulfonyl group, pentafluoroethylsulfonyl group, heptafluoropropylsulfonyl group, nonafluorobutylsulfonyl group, undecafluoropentylsulfonyl group, tridecafluorohexylsulfonyl group, pentadecafluoroheptylsulfonyl group, heptadecafluoro Examples thereof include an octylsulfonyl group. Examples of the perfluoroalkylsulfonylmethide salt include tris (trifluoromethylsulfonyl) methide salt, tris (pentafluoroethylsulfonyl) methide salt, and tris (heptadecafluorooctylsulfonyl) methide salt. Among them, as an aspect of the present invention, the trimeth (trifluoromethylsulfonyl) methide ion in which the above metide ion is 1 = 1 in the above formula 1, m = 1, n = 1, or n = 1 in the above formula 3 is used. preferable.
なお、上記導電性高分子は、ドーパントとしてのアニオンとして、該導電性高分子へのドーピングおよび脱ドーピングすることができる他のアニオンを含めることもできる。たとえば、必要とされる電解伸縮量や用途等に応じて、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、BF4 −、PF6 −、過塩素酸イオン、またはパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンなどを用いることができる。 In addition, the said conductive polymer can also contain the other anion which can dope and dedope this conductive polymer as an anion as a dopant. For example, trifluoromethanesulfonic acid ions, BF 4 − , PF 6 − , perchloric acid ions, perfluoroalkylsulfonylimide ions, or the like can be used depending on the required amount of electrolytic expansion and contraction, usage, and the like.
また、上記化学式(1)のパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンおよび上記化学式(2)のパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンは、カチオンと塩を形成することができ、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩またはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオン塩として電解重合法における電解液中に加えられていてもよい。 Further, the perfluoroalkylsulfonylimide ion of the above chemical formula (1) and the perfluoroalkylsulfonylmethide ion of the above chemical formula (2) can form a salt with a cation, and a perfluoroalkylsulfonylimide salt or a perfluoroalkyl A sulfonylmethide ion salt may be added to the electrolytic solution in the electrolytic polymerization method.
これらパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンと塩を形成するカチオンは、Li+などの1つの元素から構成されていてもよく、複数の元素より構成されていてもよい。また、上記カチオンは、1価の陽イオンとしてパーフルオロアルキルスルホニルイミド塩またはパーフルオロアルキルスルホニルメチド塩を形成することができ、電解液中で解離することができるルイス酸であれば、特に限定されるものではない。 The cations that form salts with these perfluoroalkylsulfonylimide ions or perfluoroalkylsulfonylmethide ions may be composed of one element such as Li + , or may be composed of a plurality of elements. The cation is not particularly limited as long as it is a Lewis acid capable of forming a perfluoroalkylsulfonylimide salt or a perfluoroalkylsulfonylmethide salt as a monovalent cation and dissociating in an electrolyte. Is not to be done.
また、上記導電性高分子は電解重合法などによって容易に得ることができる。また、上記導電性高分子は、電解重合法により得られた導電性高分子であって、上記電解重合に用いる電解液(導電性高分子製造用電解液)が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基およびニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合または官能基を含む有機化合物および/またはハロゲン化炭化水素を溶媒として含むことが好ましい。上記の電解液中に上記溶媒を含み、さらに、パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンなどを含むことにより、得られた導電性高分子は、1酸化還元サイクル当たりにおいてより大きな電解伸縮を示すものとなる。 The conductive polymer can be easily obtained by an electrolytic polymerization method or the like. The conductive polymer is a conductive polymer obtained by an electrolytic polymerization method, and an electrolytic solution (electrolytic solution for producing a conductive polymer) used for the electrolytic polymerization is an ether bond, an ester bond, a carbonate. It is preferable that an organic compound and / or a halogenated hydrocarbon containing at least one bond or functional group among a bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group, and a nitrile group be included as a solvent. By including the above-mentioned solvent in the above electrolytic solution and further including perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion, the obtained conductive polymer is larger in one redox cycle. It shows electrolytic expansion and contraction.
上記有機化合物としては、たとえば、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン(以上、エーテル結合を含む有機化合物)、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸−t−ブチル、1,2−ジアセトキシエタン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸ブチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル(以上、エステル結合を含む有機化合物)、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート(以上、カーボネート結合を含む有機化合物)、エチレングリコール、ブタノール、1−ヘキサノール、シクロヘキサノール、1−オクタノール、1−デカノール、1−ドデカノール、1−オクタデカノール(以上、ヒドロキシル基を含む有機化合物)、ニトロメタン、ニトロベンゼン(以上、ニトロ基を含む有機化合物)、スルホラン、ジメチルスルホン(以上、スルホン基を含む有機化合物)、およびアセトニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル(以上、ニトリル基を含む有機化合物)をあげることができる。なお、ヒドロキシル基を含む有機化合物は、特に限定されるものではないが、多価アルコールおよび炭素数4以上の1価アルコールであることが、伸縮率が良いためにより好ましい。なお、上記有機化合物は、上記の例示以外にも、分子中にエーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基およびニトリル基のうち、2つ以上の結合または官能基を任意の組合わせで含む有機化合物であってもよい。 Examples of the organic compound include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane (an organic compound containing an ether bond), γ-butyrolactone, Ethyl acetate, n-butyl acetate, t-butyl acetate, 1,2-diacetoxyethane, 3-methyl-2-oxazolidinone, methyl benzoate, ethyl benzoate, butyl benzoate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate ( Above, organic compounds containing ester bonds), propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate (above, organic compounds containing carbonate bonds), ethylene glycol, butanol, 1-hexanol, cyclohexano 1-octanol, 1-decanol, 1-dodecanol, 1-octadecanol (above, organic compound containing hydroxyl group), nitromethane, nitrobenzene (above, organic compound containing nitro group), sulfolane, dimethylsulfone (above) , An organic compound containing a sulfone group), and acetonitrile, butyronitrile, benzonitrile (an organic compound containing a nitrile group). The organic compound containing a hydroxyl group is not particularly limited, but is preferably a polyhydric alcohol or a monohydric alcohol having 4 or more carbon atoms because of its high expansion / contraction ratio. In addition to the above examples, the organic compound may have any two or more bonds or functional groups among the ether bond, ester bond, carbonate bond, hydroxyl group, nitro group, sulfone group and nitrile group in the molecule. The organic compound contained in the combination may be sufficient.
また、上記導電性高分子製造用電解液に溶媒として含まれるハロゲン化炭化水素は、炭化水素中の水素が少なくとも1つ以上ハロゲン原子に置換されたもので、電解重合条件で液体として安定に存在することができるものであれば、特に限定されるものではない。上記ハロゲン化炭化水素としては、たとえば、ジクロロメタン、ジクロロエタンをあげることができる。上記ハロゲン化炭化水素は、1種類のみを上記導電性高分子製造用電解液中の溶媒として用いることもできるが、2種以上併用することもできる。また、上記ハロゲン化炭化水素は、上記の有機化合物との混合液として用いてもよく、上記有機溶媒との混合溶媒を上記導電性高分子製造用電解液中の溶媒として用いることもできる。 In addition, the halogenated hydrocarbon contained as a solvent in the electrolytic solution for producing a conductive polymer is one in which at least one hydrogen in the hydrocarbon is substituted with a halogen atom, and is stably present as a liquid under electrolytic polymerization conditions. If it can do, it will not specifically limit. Examples of the halogenated hydrocarbon include dichloromethane and dichloroethane. Although only one kind of the halogenated hydrocarbon can be used as a solvent in the electrolytic solution for producing the conductive polymer, two or more kinds can be used in combination. The halogenated hydrocarbon may be used as a mixed solution with the organic compound, or a mixed solvent with the organic solvent may be used as a solvent in the electrolytic solution for producing the conductive polymer.
上記電解重合法により得られた導電性高分子のバルク中には、上記電解重合法に用いられた上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンが存在することとなる。上記導電性高分子が上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンを含む上記導電性高分子は、上述のように1酸化還元サイクル当りの伸縮量が大きく、駆動速度(%/s)の値も大きく、しかも、容易に得ることができるので好ましい。たとえば、上記の導電性高分子の有形物を膜状体は、従来の導電性高分子の電解伸縮がその最大の伸縮率が面方向で1酸化還元サイクル当たり10〜15%程度までしか得られていなかったのに対して、ドーパントとして上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンを導電性高分子のバルク中に含むことにより、長さ方向において、1酸化還元サイクル当たり16%以上、特に20%以上の優れた最大の伸縮率を示すことが可能となる。上記膜状体は、人工筋肉に代表される大きな伸縮率が要求される用途に好適に用いることができる。なお、上記の導電性高分子の有形物は、ドーパントの他に、動作電極としての抵抗値を低下させるために、金属線や導電性酸化物などの導電性材料を適宜含むことができる。 In the bulk of the conductive polymer obtained by the electrolytic polymerization method, the perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion used in the electrolytic polymerization method is present. The conductive polymer in which the conductive polymer contains the perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion has a large expansion / contraction amount per one oxidation-reduction cycle as described above, and the driving speed (% / The value of s) is also large, and it is preferable because it can be easily obtained. For example, in the case of a film-like body of the above-described conductive polymer tangible material, the maximum expansion rate of conventional electroconductive polymer electrostriction can be obtained up to about 10 to 15% per oxidation-reduction cycle in the surface direction. In contrast, the perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion is included as a dopant in the bulk of the conductive polymer, so that 16% per oxidation-reduction cycle in the lengthwise direction. As described above, an excellent maximum expansion / contraction rate of 20% or more can be exhibited. The film-like body can be suitably used for applications requiring a large expansion / contraction rate typified by artificial muscle. In addition to the dopant, the conductive polymer tangible material may appropriately include a conductive material such as a metal wire or a conductive oxide in order to reduce the resistance value as the working electrode.
上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、上記の説明と同様に、アニオン中心である窒素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である2つのパーフルオロアルキル基を有していればよい。たとえばトリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ウンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基などをあげることができる。上記パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩としては、たとえば、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド塩、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミド塩、ビス(ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル)イミド塩を用いることができる。 Similarly to the above description, the perfluoroalkylsulfonylimide ion only needs to have a sulfonyl group bonded to the nitrogen atom that is the center of the anion, and further has two perfluoroalkyl groups that are substituents. For example, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, heptafluoropropyl group, nonafluorobutyl group, undecafluoropentyl group, tridecafluorohexyl group, pentadecafluoroheptyl group, heptadecafluorooctyl group and the like can be mentioned. . Examples of the perfluoroalkylsulfonylimide salt include bis (trifluoromethylsulfonyl) imide salt, bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide salt, and bis (heptadecafluorooctylsulfonyl) imide salt.
また、上記パーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンは、上記の説明と同様に、アニオン中心である炭素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である3つのパーフルオロアルキル基を有していればよい。たとえば、トリフルオロメチルスルホニル基、ペンタフルオロエチルスルホニル基、ヘプタフルオロプロピルスルホニル基、ノナフルオロブチルスルホニル基、ウンデカフルオロペンチルスルホニル基、トリデカフルオロヘキシルスルホニル基、ペンタデカフルオロヘプチルスルホニル基、ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル基などをあげることができる。上記パーフルオロアルキルスルホニルメチド塩としては、たとえば、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド塩、トリス(ペンタフルオロエチルスルホニル)メチド塩、トリス(ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル)メチド塩を用いることができる。 In addition, the perfluoroalkylsulfonylmethide ion, as described above, has a sulfonyl group bonded to a carbon atom which is an anion center, and further has three perfluoroalkyl groups which are substituents. Good. For example, trifluoromethylsulfonyl group, pentafluoroethylsulfonyl group, heptafluoropropylsulfonyl group, nonafluorobutylsulfonyl group, undecafluoropentylsulfonyl group, tridecafluorohexylsulfonyl group, pentadecafluoroheptylsulfonyl group, heptadecafluoro Examples thereof include an octylsulfonyl group. Examples of the perfluoroalkylsulfonylmethide salt include tris (trifluoromethylsulfonyl) methide salt, tris (pentafluoroethylsulfonyl) methide salt, and tris (heptadecafluorooctylsulfonyl) methide salt.
上記電解重合法の電解液中に含むまれ得る上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンは、カチオンと塩を形成することができ、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩またはパーフルオロアルキルスルホニルメチド塩として電解重合法における電解液中に加えられていてもよい。パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンと塩を形成するカチオンは、Li+の様に1つの元素から構成されていてもよく、複数の元素より構成されていてもよい。上記カチオンは、1価の陽イオンとしてパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを形成することができ、電解液中で解離することができるルイス酸であれば、特に限定されるものではない。 The perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion that may be contained in the electrolytic solution of the electrolytic polymerization method can form a salt with a cation, and the perfluoroalkylsulfonylimide salt or perfluoroalkylsulfonyl It may be added as a methide salt in the electrolytic solution in the electrolytic polymerization method. The cation that forms a salt with the perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion may be composed of one element, such as Li + , or may be composed of a plurality of elements. The cation is not particularly limited as long as it is a Lewis acid capable of forming a perfluoroalkylsulfonylimide ion as a monovalent cation and dissociating in an electrolyte.
上記カチオンが金属元素である場合には、たとえばリチウムなどのアルカリ金属から選ばれる元素を用いることができる。また、上記カチオンが分子である場合には、たとえば、テトラブチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウムに代表されるアルキルアンモニウム、ピリジニウム、イミダゾリウムなどを用いることができる。 When the cation is a metal element, for example, an element selected from alkali metals such as lithium can be used. Moreover, when the cation is a molecule, for example, tetrabutylammonium, alkylammonium typified by tetraethylammonium, pyridinium, imidazolium, or the like can be used.
上記導電性高分子のドーパントとして用いられ得る上記のパーフルオロスルホニルイミドイオンは、上記のように塩基成分であるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンと酸成分であるカチオンとの組み合わせにより種々の塩を形成することができるが、パーフルオロスルホニルイミド塩は、溶液中の解離が容易であって入手も容易であることから、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、リチウムビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミドなどのリチウムビス(パーフルオロアルキルスルホニル)イミド、ならびにビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、およびビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)イミドなどのビス(パーフルオロアルキルスルホニル)イミドについての、テトラブチルアンモニウム塩、ピリジニウム塩またはイミダゾリジウム塩が好ましい。 The perfluorosulfonylimide ion that can be used as a dopant for the conductive polymer forms various salts by the combination of the perfluoroalkylsulfonylimide ion that is the base component and the cation that is the acid component as described above. However, since perfluorosulfonylimide salts are easily dissociated in solution and easily available, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, lithium bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide, etc. Tetrabutylammonium for lithium bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide and bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide such as bis (trifluoromethylsulfonyl) imide and bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide Umushio, pyridinium salts or imidazolinium indium salts are preferred.
上記導電性高分子のドーパントとして用いられ得る上記のパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンは、上記のように塩基成分であるパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンと酸成分であるカチオンとの組み合わせにより種々の塩を形成することができるが、パーフルオロスルホニルメチド塩は、溶液中の解離が容易であって入手も容易であることから、リチウムトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド、リチウムトリス(ペンタフルオロエチルスルホニル)メチドなどのリチウムトリス(パーフルオロアルキルスルホニル)メチド、ならびにトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド、およびトリス(ペンタフルオロエチルスルホニル)メチドなどのトリス(パーフルオロアルキルスルホニル)メチドについての、テトラブチルアンモニウム塩、ピリジニウム塩またはイミダゾリジウム塩が好ましい。 The perfluoroalkylsulfonylmethide ion, which can be used as a dopant for the conductive polymer, has various salts depending on the combination of the perfluoroalkylsulfonylmethide ion as the base component and the cation as the acid component as described above. However, since perfluorosulfonylmethide salt is easily dissociated in solution and easily available, lithium tris (trifluoromethylsulfonyl) methide, lithium tris (pentafluoroethylsulfonyl) ) For lithium tris (perfluoroalkylsulfonyl) methides such as methide, and tris (perfluoroalkylsulfonyl) methides such as tris (trifluoromethylsulfonyl) methide and tris (pentafluoroethylsulfonyl) methide Tetrabutylammonium salt, pyridinium salt or imidazolium indium salts are preferred.
上記電解重合法における上記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルメチドイオンの電解液中の含有量が特に限定されるものではないが、十分な電解液のイオン導電性を確保するために、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩として、電解液中に1〜40重量%含まれるのが好ましく、2.8〜20重量%含まれるのがより好ましい。また、電解重合法により得られる導電性高分子膜の膜質を向上させるために、トリフルオロメタンスルホン酸塩を電解液中に1〜80%加えた複合電解質を用いることもできる。また、これらのイオンは単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 The content of the perfluoroalkylsulfonylimide ion or perfluoroalkylsulfonylmethide ion in the electrolytic polymerization method in the electrolytic solution is not particularly limited, but in order to ensure sufficient ionic conductivity of the electrolytic solution. The perfluoroalkylsulfonylimide salt is preferably contained in the electrolytic solution in an amount of 1 to 40% by weight, and more preferably 2.8 to 20% by weight. Moreover, in order to improve the film quality of the conductive polymer film obtained by the electrolytic polymerization method, a composite electrolyte in which 1 to 80% of trifluoromethanesulfonate is added to the electrolytic solution can also be used. Moreover, these ions may be used alone or in combination of two or more.
また、上記電解重合法にて用いられる電解液(導電性高分子製造用電解液)には、さらに、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩を含む以外に、導電性高分子の単量体を含んでいてもよく、さらにポリエチレングリコールやポリアクリルアミドなどの公知のその他の添加剤を含むこともできる。 In addition, the electrolytic solution (electrolytic solution for producing a conductive polymer) used in the electrolytic polymerization method further contains a monomer of a conductive polymer in addition to the perfluoroalkylsulfonylimide salt. In addition, other known additives such as polyethylene glycol and polyacrylamide may also be included.
上記電解重合法は、導電性高分子単量体の電解重合として、公知の電解重合方法を用いることが可能であり、定電位法、定電流法および電気掃引法のいずれをも適宜用いることができる。たとえば、上記電解重合法は、電流密度0.01〜20mA cm−2、反応温度−70〜80℃で行うことができ、良好な膜質の導電性高分子を得るために、電流密度0.1〜2mA cm−2、反応温度−40〜40℃の条件下で行うことが好ましく、反応温度が−30〜30℃の条件であることがより好ましい。 As the electropolymerization method, a known electropolymerization method can be used as the electropolymerization of the conductive polymer monomer, and any of the constant potential method, the constant current method, and the electric sweep method can be appropriately used. it can. For example, the electrolytic polymerization method can be performed at a current density of 0.01 to 20 mA cm −2 and a reaction temperature of −70 to 80 ° C. In order to obtain a conductive polymer having a good film quality, a current density of 0.1 It is preferable to carry out under the conditions of ˜2 mA cm −2 and the reaction temperature of −40 to 40 ° C., and the reaction temperature is more preferably −30 to 30 ° C.
なお、上記電解重合法に用いられる作用電極は、電解重合に用いることができれば特に限定されるものではなく、ITOガラス電極、炭素電極や金属電極などを適宜用いることができる。上記金属電極は、金属を主とする電極であれば特に限定されるものではないが、Pt、Ti、Ni、Au、Ta、Mo、CrおよびWからなる群より選ばれた金属元素についての金属単体の電極または合金の電極を好適に用いることができる。なかでも、得られた導電性高分子の伸縮率および発生力が大きく、かつ電極を容易に入手できることから、金属電極に含まれる金属種がPt、Tiであることが特に好ましい。なお、上記合金としては、たとえば、商品名「INCOLOY alloy 825」、「INCONEL alloy 600」、「INCONEL alloy X−750」(以上、大同スペシャルメタル社製)を用いることができる。また、対極については公知の電極、たとえばPt、Niを好適に用いることができる。 In addition, the working electrode used for the said electrolytic polymerization method will not be specifically limited if it can be used for electrolytic polymerization, An ITO glass electrode, a carbon electrode, a metal electrode, etc. can be used suitably. The metal electrode is not particularly limited as long as it is an electrode mainly composed of metal, but a metal for a metal element selected from the group consisting of Pt, Ti, Ni, Au, Ta, Mo, Cr and W. A single electrode or an alloy electrode can be preferably used. Among them, the metal species contained in the metal electrode is particularly preferably Pt or Ti because the obtained conductive polymer has a large expansion / contraction rate and generation force and the electrode can be easily obtained. As the above alloy, for example, trade names “INCOLOY alloy 825”, “INCONEL alloy 600”, “INCONEL alloy X-750” (manufactured by Daido Special Metal Co., Ltd.) can be used. As the counter electrode, a known electrode such as Pt or Ni can be preferably used.
上記電解重合法に用いられる電解液に含まれる導電性高分子の単量体としては、電解重合による酸化により高分子化して導電性を示す化合物であれば特に限定されるものではなく、たとえばピロール、チオフェン、イソチアナフテン等の複素五員環式化合物、ならびにそのアルキル基、オキシアルキル基等の誘導体があげられる。なかでも、ピロール、チオフェン等の複素五員環式化合物、ならびにその誘導体が好ましく、特にピロールおよび/またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが、製造が容易であり、導電性高分子として安定であるために好ましい。これらの化合物は単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 The monomer of the conductive polymer contained in the electrolytic solution used in the above electrolytic polymerization method is not particularly limited as long as it is a compound that is polymerized by oxidation by electrolytic polymerization and exhibits conductivity. For example, pyrrole , Hetero five-membered cyclic compounds such as thiophene and isothianaphthene, and derivatives such as alkyl groups and oxyalkyl groups thereof. Of these, hetero five-membered cyclic compounds such as pyrrole and thiophene, and derivatives thereof are preferable, and in particular, a conductive polymer containing pyrrole and / or a pyrrole derivative is easy to produce, and as a conductive polymer. It is preferable because it is stable. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
また、上記高分子アクチュエータ素子は、多孔質基材の両面にそれぞれ金属電極層を介して前記導電性高分子が配置されている複合膜を備えるものとすることが好ましく、より具体的には、たとえば、図1に示すように、多孔質支持体(基材層10)を中央に、金属電極層12、導電性高分子14の順でサンドイッチ状に積層した複合膜を備えたバイモルフ型の高分子アクチュエータ素子とすることができる。バイモルフ型の高分子アクチュエータ素子では導電性高分子アクチュエータの直同方向の伸縮挙動を構造体の屈曲方向の動きに変換することができるため、本発明の高分子アクチュエータ素子の伸縮挙動をより効率よく大きな屈曲変形として発現することができる。また、上記バイモルフ型の高分子アクチュエータ素子は、上記複合膜(特に多孔質基材中)に電解質溶液を含浸させることで、駆動時に電解質溶液に高分子アクチュエータ素子を浸漬することなく常温常圧の開放系においても優れた伸縮率と応答速度を示す空中駆動型の高分子アクチュエータ素子としての使用に特に好適である。
In addition, the polymer actuator element preferably includes a composite film in which the conductive polymer is disposed on both surfaces of the porous substrate via metal electrode layers, respectively, more specifically, For example, as shown in FIG. 1, a bimorph type high structure including a composite film in which a porous support (base material layer 10) is sandwiched in the order of a
上記複合膜の金属電極層に両面を挟まれる基材層としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド、ポリオレフィン、セルロースアセテートなどの多孔質基材(多孔質支持体)が好ましい。なかでも、上記多孔質基材(多孔質支持体)としては、化学的安定性や柔らかさや高分子アクチュエータ素子の繰り返しの駆動における耐久性の観点から、多孔質ポリテトラフルオロエチレン(多孔質PTFE)などをもちいることが特に好ましい。また空中で駆動させる場合は、電解液を保持している層(多孔質基材層(多孔質支持体層))のイオン導電率が高いことがより好ましく、また、空孔率は可能な限り高い方が好ましい。 As the base material layer sandwiched on both sides of the metal electrode layer of the composite film, for example, a porous base material (porous support) such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide, polyolefin, and cellulose acetate is preferable. Among them, as the porous substrate (porous support), porous polytetrafluoroethylene (porous PTFE) is used from the viewpoint of chemical stability and softness and durability in repeated driving of the polymer actuator element. It is particularly preferable to use When driven in the air, the layer holding the electrolyte (porous substrate layer (porous support layer)) preferably has a high ionic conductivity, and the porosity is as high as possible. Higher is preferred.
また、金属電極層としては、金、白金、銅、ニッケルなどを用いることができるが、なかでも金、白金などが好ましい。 As the metal electrode layer, gold, platinum, copper, nickel, or the like can be used, and among them, gold, platinum, and the like are preferable.
また、特にバイモルフ型の高分子アクチュエータ素子では、上記導電性高分子を金属電極層上に重合して強固に一体化させることが、より長期の駆動性能保持の観点からも好ましい。 In particular, in a bimorph type polymer actuator element, it is preferable from the viewpoint of maintaining a long-term driving performance that the conductive polymer is polymerized and firmly integrated on the metal electrode layer.
上記高分子アクチュエータ素子において、上記導電性高分子の厚みは0.01〜10μmであることが好ましく、0.1〜2μmであることがより好ましい。 In the polymer actuator element, the thickness of the conductive polymer is preferably 0.01 to 10 μm, and more preferably 0.1 to 2 μm.
また、上記高分子アクチュエータ素子の厚みは0.5〜50μmであることが好ましく、1〜30μmであることがより好ましい。特に、バイモルフ型の高分子アクチュエータ素子においては、上記高分子アクチュエータ素子の厚みは1〜100μmであることが好ましく、10〜60μmであることがより好ましい。 Further, the thickness of the polymer actuator element is preferably 0.5 to 50 μm, and more preferably 1 to 30 μm. In particular, in a bimorph type polymer actuator element, the thickness of the polymer actuator element is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 10 to 60 μm.
本発明における高分子アクチュエータ素子は上述のような構成を有するものである。上記導電性高分子により所望の形状を有する有形物が構成され、上記有形物が上記高分子アクチュエータ素子の全体または一部を構成し、上記有形物が駆動することにより上記高分子アクチュエータ素子が駆動する。上記導電性高分子成の有形物は、その形状が特に限定されるものではなく、膜状、管状、筒状、角柱および繊維状等の形状に成形または成型されたものであってもよいが、上記導電性高分子が電解重合時に作用電極に膜状として得られることから、膜状であることまたは膜状で適用できることが好ましい。また、作用電極上に重合された導電性高分子は、アセトン等の導電性高分子を膨潤させることができる溶媒を用いて作用電極から分離することにより、上記有形物である導電性高分子膜として容易に得ることができる。 The polymer actuator element in the present invention has the above-described configuration. A tangible object having a desired shape is constituted by the conductive polymer, the tangible object constitutes all or part of the polymer actuator element, and the tangible object drives to drive the polymer actuator element. To do. The shape of the conductive polymer tangible material is not particularly limited, and may be formed or molded into a film shape, a tubular shape, a tubular shape, a prismatic shape, a fibrous shape, or the like. Since the conductive polymer is obtained as a film on the working electrode during the electropolymerization, it is preferable that the conductive polymer is a film or can be applied in the form of a film. Further, the conductive polymer polymerized on the working electrode is separated from the working electrode using a solvent capable of swelling the conductive polymer such as acetone. Can be easily obtained.
(高分子アクチュエータ素子の製造方法)
本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は、導電性高分子と駆動電解液を含み、前記駆動電解液が常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液である高分子アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記導電性高分子を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記導電性高分子から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする。
(Manufacturing method of polymer actuator element)
The method for producing a polymer actuator element of the present invention comprises producing a polymer actuator element comprising a conductive polymer and a driving electrolyte, wherein the driving electrolyte is a solution containing a liquid nonionic organic compound at normal temperature and pressure. A method,
A first step of immersing the conductive polymer in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under a normal temperature and a normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the conductive polymer;
It is characterized by including.
また、本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は、多孔質基材の両面にそれぞれ金属電極層を介して前記導電性高分子が配置されている複合膜と駆動電解液を含む高分子アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記複合膜を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記複合膜から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする。
The method for producing a polymer actuator element according to the present invention includes a composite film in which the conductive polymer is disposed on both surfaces of a porous base material via metal electrode layers, and a driving electrolyte solution. A manufacturing method of
A first step of immersing the composite membrane in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under normal temperature and normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the composite membrane;
It is characterized by including.
従来の高分子アクチュエータ素子における(電解質)駆動電解液においては、電解質の媒体として非イオン性有機化合物、特に非イオン性高分子化合物が用いられることは皆無であった。これは非イオン性有機化合物を媒体(電解質媒体)として用いることにより、導電性高分子との親和性が低いことや、さらには高分子化合物の分子鎖が高分子に絡まってしまうことや、媒体が高分子量体にすることによりイオンなどの電解質の動きを阻害してしまうことなどのためである。さらには、導電性高分子等へ非極性化合物を充填すること自体が困難であった。しかしながら、本発明においては、上記非イオン性有機化合物を含む高分子アクチュエータ素子を用いることにより、上述のような駆動電解液を用いることにより、常温常圧の開放系において優れた伸縮率と応答速度を示す高分子アクチュエータ素子となることを見出したものである。 In an (electrolyte) driving electrolyte solution in a conventional polymer actuator element, a nonionic organic compound, particularly a nonionic polymer compound, has never been used as an electrolyte medium. This is because a nonionic organic compound is used as a medium (electrolyte medium), the affinity with the conductive polymer is low, the molecular chain of the polymer compound is entangled with the polymer, the medium This is because the movement of electrolytes such as ions is hindered by forming a high molecular weight. Furthermore, it has been difficult to fill the conductive polymer or the like with a nonpolar compound. However, in the present invention, by using the polymer actuator element containing the nonionic organic compound, by using the driving electrolyte as described above, an excellent stretch rate and response speed in an open system at normal temperature and pressure. It has been found that the polymer actuator element exhibits the following.
より具体的には、たとえば、前記導電性高分子または前記複合膜を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程と、前記導電性高分子または前記複合膜から前記極性溶媒を除去する第二工程とを含む駆動電解液の充填方法を用いることにより、本発明の高分子アクチュエータ素子を製造することができる。なお、上記極性溶媒が常温常圧下で経時的に揮発しにくい溶媒である場合は、前記極性溶媒を除去する第二工程を含まなくてもよい。 More specifically, for example, a first step of immersing the conductive polymer or the composite film in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under normal temperature and pressure, and the conductive The polymer actuator element of the present invention can be manufactured by using a driving electrolyte filling method including a second step of removing the polar solvent from the conductive polymer or the composite film. In addition, when the said polar solvent is a solvent which is hard to volatilize over time under normal temperature normal pressure, it is not necessary to include the 2nd process of removing the said polar solvent.
上記非イオン性有機化合物と混合する極性溶媒は特に限定されないが、充填後、加熱処理等により選択的に揮発可能な溶媒が好ましい。上記水等の溶媒が揮発後も上記非イオン性有機化合物が電解質中の溶媒として残存して電解質媒として機能しうることから、常温常圧の開放系に長時間放置してもその後も初期の屈曲量または変位量とほぼ同等を示すことができると推測される。 Although the polar solvent mixed with the nonionic organic compound is not particularly limited, a solvent that can be volatilized selectively by heat treatment or the like after filling is preferable. Even after the solvent such as water volatilizes, the nonionic organic compound remains as a solvent in the electrolyte and can function as an electrolyte medium. It is estimated that the amount of bending or the amount of displacement can be substantially equivalent.
上記混合溶液中において極性溶媒が3〜50重量%であることが好ましく、10〜40重量%含まれることがより好ましく、20〜35重量%含まれることがさらに好ましい。また、上記非極性化合物の粘性が水やアセトニトリルに対して1桁以上高いため、高分子アクチュエータ素子膜(上記複合膜)への浸透、膨潤時間を短縮することを目的に特に水やアセトニトリルなどの上記極性溶媒を10〜50重量%の混合溶液とすることが好ましい。 In the mixed solution, the polar solvent is preferably 3 to 50% by weight, more preferably 10 to 40% by weight, and still more preferably 20 to 35% by weight. In addition, since the viscosity of the nonpolar compound is one digit or more higher than that of water or acetonitrile, water, acetonitrile, or the like is particularly used for the purpose of shortening the permeation and swelling time of the polymer actuator element film (the composite film). The polar solvent is preferably a mixed solution of 10 to 50% by weight.
上記混合溶液に用いる極性溶媒としては、たとえば、水、アセトニトリル、低級アルコール、アセトン、酢酸エチル、メチルエチルケトンなどがあげられる。これらは単独で使用してもよく、また2種以上を混合して使用してもよい。 Examples of the polar solvent used in the mixed solution include water, acetonitrile, lower alcohol, acetone, ethyl acetate, and methyl ethyl ketone. These may be used singly or in combination of two or more.
また、前記導電性高分子または前記複合膜から前記極性溶媒を除去する第二工程としては、前記極性溶媒を選択的に除去できる処理であれば特に限定されず、加熱処理、風乾処理、減圧処理等またはこれらの組み合わせなどの手法をあげることができる。 In addition, the second step of removing the polar solvent from the conductive polymer or the composite film is not particularly limited as long as it is a treatment capable of selectively removing the polar solvent, and includes heat treatment, air drying treatment, and decompression treatment. Or a combination thereof.
本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は上述のような駆動電解質の充填方法を含む工程を有するため、従来困難であった非イオン性有機化合物を含む駆動電解液を効率よく簡便に充填することができ、その結果、伸縮率と応答速度に優れた高分子アクチュエータ素子を簡便に製造することができる。 Since the method for producing a polymer actuator element of the present invention includes a process including the above-described method of filling the drive electrolyte, the drive electrolyte containing a nonionic organic compound, which has been difficult in the past, can be efficiently and simply filled. As a result, a polymer actuator element excellent in expansion / contraction rate and response speed can be easily produced.
(駆動条件)
本発明の高分子アクチュエータ素子の駆動方法は、上述のいずれかの高分子アクチュエータ素子の金属電極間に電圧を印加する工程を含むことを特徴とする。
(Driving condition)
The polymer actuator element driving method of the present invention includes a step of applying a voltage between the metal electrodes of any of the polymer actuator elements described above.
本発明の高分子アクチュエータ素子の駆動方法において、上記駆動電解液の温度は特に限定されるものではないが、上記の導電性高分子をより速い速度で電解伸縮させるために、10〜100℃であることが好ましく、20〜60℃であることがさらに好ましい。 In the driving method of the polymer actuator element of the present invention, the temperature of the driving electrolyte is not particularly limited, but is 10 to 100 ° C. in order to cause the conductive polymer to be electrostretched at a higher speed. It is preferable and it is more preferable that it is 20-60 degreeC.
また、上記駆動電解液中のアニオンの濃度も特に限定されるものではないが、0.1〜5.0mol dm−3であることが好ましく、大きな伸縮率が得られ、安定して駆動することができる。 Further, the concentration of the anion in the driving electrolyte is not particularly limited, but it is preferably 0.1 to 5.0 mol dm −3 , and a large expansion / contraction ratio is obtained, so that the driving can be stably performed. Can do.
また上記駆動方法においては、特に多孔質基材の両面にそれぞれ金属電極層を介して前記導電性高分子が配置されている複合膜を備えるバイモルフ型高分子アクチュエータ素子として用いることが、より効率よく簡便に駆動性能を利用できるので好ましい。 Further, in the above driving method, it is more efficient to use as a bimorph type polymer actuator element provided with a composite film in which the conductive polymer is disposed on both surfaces of the porous substrate, respectively, via a metal electrode layer. This is preferable because the driving performance can be easily used.
また、上記高分子アクチュエータ素子の駆動における上記電圧は特に限定されるものではないが、その厚みが0.01mm〜1mm程度である場合には、通常印加電圧(V)の絶対値が0.2〜5Vであることができるが、0.5〜3Vであることが好ましく、0.5〜1.5Vであることがより好ましい。なお、本発明の高分子アクチュエータ素子を用いることにより、従来と同一の駆動性能を発揮させる場合においても、従来よりも駆動電圧をより低く設定して駆動させることができる。 The voltage for driving the polymer actuator element is not particularly limited, but when the thickness is about 0.01 mm to 1 mm, the absolute value of the normal applied voltage (V) is 0.2. Although it can be -5V, it is preferable that it is 0.5-3V, and it is more preferable that it is 0.5-1.5V. By using the polymer actuator element of the present invention, even when the same driving performance as the conventional one is exhibited, it can be driven with the driving voltage set lower than the conventional one.
また、本発明の高分子アクチュエータ素子を用いることにより、たとえばバイモルフ型として左右に往復する等の連続的な変位運動をさせる場合には、上記高分子アクチュエータ素子の1酸化還元サイクル当たりの振幅が素子長の50%以上とすることができる。 Further, when the polymer actuator element of the present invention is used, for example, when a continuous displacement movement such as reciprocating left and right as a bimorph type is performed, the amplitude per one redox cycle of the polymer actuator element is It can be 50% or more of the length.
また、上記高分子アクチュエータ素子を用いることにより、たとえばバイモルフ型として左右に往復する等の連続的な変位運動をさせる場合には、0.1〜400Hz周期で各電極に反対電圧が印加されるようにすることができ、0.2〜300Hz周期であることが好ましく、0.5〜200Hzであることがより好ましい。特に、本発明の高分子アクチュエータ素子を用いることにより、これまで例がなかった100Hz以上もの大きな応答周波数に対しても応答駆動させることが可能となった。さらには、本願の高分子アクチュエータ素子は、300Hz程度であっても素子長の6%以上の大きな変位や変形が可能となるものである。 Further, when the polymer actuator element is used, for example, when a continuous displacement movement such as reciprocating left and right as a bimorph type is performed, an opposite voltage is applied to each electrode at a cycle of 0.1 to 400 Hz. The period is preferably 0.2 to 300 Hz, and more preferably 0.5 to 200 Hz. In particular, by using the polymer actuator element of the present invention, it has become possible to drive the response to a large response frequency of 100 Hz or more, which has never been seen before. Furthermore, the polymer actuator element of the present application is capable of large displacement and deformation of 6% or more of the element length even at about 300 Hz.
(用途)
本発明の高分子アクチュエータ素子は、人工筋肉、ロボットアーム、パワードスーツ、義手および義足に好適に使用することができる。また、本発明の高分子アクチュエータ素子を、マイクロサージェリー技術におけるピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップなどの医療器具、検査や補修等を行う各種センサーもしくは補修用工具など、健康器具、湿度計、湿度計コントロール装置、ソフトマニュピュレーター、水中バルブ、ソフト運搬装置などの工業用機器、金魚などの水中モービル、または動く釣り餌や推進ヒレなどのホビー用品などの水中で用いられる物品に好適に使用することができる。
(Use)
The polymer actuator element of the present invention can be suitably used for artificial muscles, robot arms, powered suits, artificial hands and artificial legs. In addition, the medical actuator element of the present invention is a medical device such as tweezers, scissors, forceps, snare, laser knife, spatula, clip, etc. in microsurgery technology, and various sensors or repair tools for performing inspections and repairs. , Hygrometers, hygrometer control devices, soft manipulators, underwater valves, industrial equipment such as soft transport devices, underwater mobiles such as goldfish, or hobby items such as moving fishing baits and propeller fins Can be suitably used.
より具体的には、上記高分子アクチュエータ素子は、OA機器、アンテナ、ベッドや椅子等の人を乗せる装置、医療機器、エンジン、光学機器、固定具、サイドトリマ、車両、昇降器械、食品加工装置、清掃装置、測定機器、検査機器、制御機器、工作機械、加工機械、電子機器、電子顕微鏡、電気かみそり、電動歯ブラシ、マニピュレータ、マスト、遊戯装置、アミューズメント機器、乗車用シミュレーション装置、車両乗員の押さえ装置および航空機用付属装備展張装置、OA機器や測定機器等の上記機器等を含む機械全般に用いられる弁、ブレーキおよびロック装置において、直線的な駆動力を発生する駆動部もしくは円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部、または直線的な動作もしくは曲線的な動作をする押圧部として好適に用いることができる。また、上記高分子アクチュエータ素子は、上記の装置、機器、器械等以外においても、機械機器類全般において、位置決め装置の駆動部、姿勢制御装置の駆動部、昇降装置の駆動部、搬送装置の駆動部、移動装置の駆動部、量や方向等の調節装置の駆動部、軸等の調整装置の駆動部、誘導装置の駆動部、および押圧装置の押圧部において、直線的な駆動力を発生する駆動部もしくは円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部、または直線的な動作もしくは曲線的な動作をする押圧部として好適に用いることができる。また、上記高分子アクチュエータ素子は、関節装置における駆動部として、関節中間部材等の直接駆動可能な関節部または関節に回転運動を与える駆動部に好適に用いることができる。 More specifically, the polymer actuator element is an OA device, an antenna, a device on which a person such as a bed or a chair is placed, a medical device, an engine, an optical device, a fixture, a side trimmer, a vehicle, a lifting device, a food processing device. , Cleaning device, measuring device, inspection device, control device, machine tool, processing machine, electronic device, electron microscope, electric shaver, electric toothbrush, manipulator, mast, game device, amusement device, riding simulation device, vehicle occupant presser Trucks consisting of drive parts or arc parts that generate linear drive force in valves, brakes, and lock devices used in general machines including equipment and aircraft accessory equipment extension devices, OA equipment, measuring equipment, etc. Drive unit that generates driving force to move the mold trajectory, or linear motion or curvilinear Work can be suitably used as a pressing portion for the. In addition to the above-described devices, devices, instruments, etc., the polymer actuator element is generally used in mechanical devices, such as a positioning device drive unit, a posture control device drive unit, a lifting device drive unit, and a transport device drive. Linear driving force is generated in the driving unit of the moving unit, the driving unit of the adjusting device such as the amount and direction, the driving unit of the adjusting device such as the shaft, the driving unit of the guiding device, and the pressing unit of the pressing device. It can be suitably used as a driving unit that generates a driving force for moving a track-type orbit including a driving unit or an arc portion, or a pressing unit that performs a linear operation or a curved operation. In addition, the polymer actuator element can be suitably used as a drive unit in a joint device, such as a joint unit that can be directly driven, such as a joint intermediate member, or a drive unit that gives a rotational motion to the joint.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、CAD用プリンター等のインクジェットプリンターにおけるインクジェット部分の駆動部、プリンターの上記光ビームの光軸方向を変位させる駆動部、外部記憶装置等のディスクドライブ装置のヘッド駆動部、ならびに、プリンター、複写機およびファックスを含む画像形成装置の給紙装置における紙の押圧接触力調整手段の駆動部として好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a drive unit of an inkjet part in an inkjet printer such as a CAD printer, a drive unit that displaces the optical axis direction of the light beam of the printer, and a head drive unit of a disk drive device such as an external storage device In addition, it can be suitably used as a drive unit for paper pressing contact force adjusting means in a paper feeding device of an image forming apparatus including a printer, a copier, and a fax machine.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、電波天文用の周波数共用アンテナ等の高周波数給電部を第2焦点へ移動させるなどの測定部や給電部の移動設置させる駆動機構の駆動部、ならびに、車両搭載圧空作動伸縮マスト(テレスコーピングマスト)等のマストやアンテナにおけるリフト機構の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a measurement unit for moving a high frequency power supply unit such as a frequency sharing antenna for radio astronomy to the second focal point, a drive unit for a drive mechanism for moving the power supply unit, and mounting on a vehicle It can be suitably used for a drive unit of a lift mechanism in a mast such as a pneumatic operation telescopic mast (telescoping mast) or an antenna.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、椅子状のマッサージ機のマッサージ部の駆動部、介護用または医療用ベットの駆動部、電動リクライニング椅子の姿勢制御装置の駆動部、マッサージ機や安楽椅子等に用いられるリクライニングチェアのバックレスト・オットマンの起倒動自在にする伸縮ロッドの駆動部、椅子や介護用ベッド等における背もたれやレッグレスト等の人を乗せる家具における可倒式の椅子の背もたれやレッグレスト或いは介護用ベッドの寝台の旋回駆動等に用いられる駆動部、ならびに、起立椅子の姿勢制御のため駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element is used in, for example, a massage unit drive unit of a chair-shaped massage machine, a nursing bed or medical bed drive unit, a drive unit of an attitude control device for an electric reclining chair, a massage machine, an easy chair, etc. Recliner backrest / Ottoman retractable rod drive part, chair backrest, legrest, etc. It can be suitably used for a drive unit used for turning driving of a bed of a care bed and the drive unit for posture control of a standing chair.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、検査装置の駆動部、体外血液治療装置等に用いられている血圧等の圧力測定装置の駆動部、カテーテル、内視鏡装置や鉗子等の駆動部、超音波を用いた白内障手術装置の駆動部、顎運動装置等の運動装置の駆動部、病弱者用ホイストのシャシの部材を相対的に伸縮させる手段の駆動部、ならびに、介護用ベッドの昇降、移動や姿勢制御等のための駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a driving unit of a testing device, a driving unit of a pressure measuring device such as a blood pressure used in an extracorporeal blood treatment device, a driving unit of a catheter, an endoscope device, forceps, or the like, an ultrasonic wave A drive unit for a cataract surgery device using a chin, a drive unit for an exercise device such as a jaw movement device, a drive unit for a means for relatively expanding and contracting a member of a hoist for a sick person, It can be suitably used for a drive unit for posture control or the like.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、エンジン等の振動発生部からフレーム等の振動受部へ伝達される振動を減衰させる防振装置の駆動部、内燃機関の吸排気弁のための動弁装置の駆動部、エンジンの燃料制御装置の駆動部、ならびにディーゼルエンジン等のエンジンの燃料供給装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a drive unit for a vibration isolator that attenuates vibration transmitted from a vibration generating unit such as an engine to a vibration receiving unit such as a frame, and a valve operating device for an intake and exhaust valve of an internal combustion engine. It can be suitably used for a drive unit, a drive unit of an engine fuel control device, and a drive unit of an engine fuel supply device such as a diesel engine.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、手振れ補正機能付き撮像装置の校正装置の駆動部、家庭用ビデオカメラレンズ等のレンズ駆動機構の駆動部、スチルカメラやビデオカメラ等の光学機器の移動レンズ群を駆動する機構の駆動部、カメラのオートフォーカス部の駆動部、カメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に用いられるレンズ鏡筒の駆動部、光学望遠鏡の光を取り込むオートガイダの駆動部、立体視カメラや双眼鏡等の2光学系を有する光学装置のレンズ駆動機構または鏡筒の駆動部、光通信、光情報処理や光計測等に用いられるファイバ型波長可変フィルタの波長変換のファイバに圧縮力を与える駆動部もしくは押圧部、光軸合せ装置の駆動部、ならびに、カメラのシャッタ機構の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a driving unit of a calibration device of an imaging apparatus with a camera shake correction function, a driving unit of a lens driving mechanism such as a home video camera lens, and a moving lens group of an optical device such as a still camera or a video camera. Drive unit for driving mechanism, drive unit for camera auto-focus unit, drive unit for lens barrel used in imaging devices such as cameras and video cameras, drive unit for auto-guider that captures light from optical telescope, stereoscopic camera and binoculars A lens driving mechanism or a lens barrel driving unit of an optical device having two optical systems such as a driving unit for applying a compressive force to a wavelength conversion fiber of a fiber type tunable filter used for optical communication, optical information processing, optical measurement, etc. Or it can use suitably for a press part, the drive part of an optical axis alignment apparatus, and the drive part of the shutter mechanism of a camera.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、ホース金具をホース本体にカシメ固定する等の固定具の押圧部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used for, for example, a pressing portion of a fixture such as a caulking fixing of a hose fitting to a hose body.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、自動車のサスペンションの巻ばね等の駆動部、車両のフューエルフィラーリッドを解錠するフューエルフィラーリッドオープナーの駆動部、ブルドーザーブレードの伸張および引っ込みの駆動の駆動部、自動車用変速機の変速比を自動的に切り替えるためやクラッチを自動的に断接させるための駆動装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a drive unit such as a winding spring of an automobile suspension, a drive unit of a fuel filler lid opener that unlocks a fuel filler lid of a vehicle, a drive unit of a bulldozer blade extension and retraction drive, an automobile It can be used suitably for the drive part of the drive device for automatically changing the gear ratio of the transmission for use or for automatically connecting and disconnecting the clutch.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、座板昇降装置付車椅子の昇降装置の駆動部、段差解消用昇降機の駆動部、昇降移載装置の駆動部、医療用ベッド、電動ベッド、電動テーブル、電動椅子、介護用ベッド、昇降テーブル、CTスキャナ、トラックのキャビンチルト装置、リフター等や各種昇降機械装置の昇降用の駆動部、ならびに重量物搬送用特殊車両の積み卸し装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a drive unit of a lift device for a wheelchair with a seat plate lift device, a drive unit of a lift device for eliminating a step, a drive unit of a lift transfer device, a medical bed, an electric bed, an electric table, and an electric chair. , Nursing bed, lifting table, CT scanner, truck cabin tilting device, lifter, etc., as well as the driving unit for lifting and lifting of various lifting machinery, and the driving unit for loading and unloading device for special vehicles Can do.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、食品加工装置の食材吐出用ノズル装置等の吐出量調整機構の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used for, for example, a drive unit of a discharge amount adjusting mechanism such as a food discharge nozzle device of a food processing apparatus.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、清掃装置の台車や清掃部等の昇降等の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used, for example, for a drive unit such as a carriage or a cleaning unit of a cleaning device.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、面の形状を測定する3次元測定装置の測定部の駆動部、ステージ装置の駆動部、タイヤの動作特性を検知システム等のセンサー部分の駆動部、力センサーの衝撃応答の評価装置の初速を与える装置の駆動部、孔内透水試験装置を含む装置のピストンシリンダのピストン駆動装置の駆動部、集光追尾式発電装置における仰角方向へ動かすための駆動部、気体の濃度測定装置を含む測定装置のサファイアレーザー発振波長切替機構のチューニングミラーの振動装置の駆動部、プリント基板の検査装置や液晶、PDPなどのフラットパネルディスプレイの検査装置においてアライメントを必要とする場合にXYθテーブルの駆動部、電子ビーム(Eビーム)システムまたはフォーカストイオンビーム(FIB)システムなどの荷電粒子ビームシステム等において用いる調節可能なアパーチャー装置の駆動部、平面度測定器における測定対象の支持装置もしくは検出部の駆動部、ならびに、微細デバイスの組立をはじめ、半導体露光装置や半導体検査装置、3次元形状測定装置などの精密位置決め装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a driving unit of a measuring unit of a three-dimensional measuring device that measures the shape of a surface, a driving unit of a stage device, a driving unit of a sensor part such as a detection system for a tire operating characteristic, Drive unit of the device that gives the initial speed of the impact response evaluation device, the drive unit of the piston drive device of the piston cylinder of the device including the in-hole water permeability test device, the drive unit for moving in the elevation angle direction in the concentrating tracking power generator, gas When the alignment is necessary in the driving device of the tuning mirror vibration device of the sapphire laser oscillation wavelength switching mechanism of the measuring device including the concentration measuring device of the above, the inspection device of the printed circuit board, and the flat panel display such as liquid crystal and PDP Drive unit of XYθ table, electron beam (E beam) system or focused ion beam ( IB) Adjustable aperture device driving unit used in charged particle beam systems such as systems, driving device for supporting device or detecting unit to be measured in flatness measuring device, and assembly of fine devices, semiconductor exposure apparatus It can be suitably used for a driving unit of a precision positioning device such as a semiconductor inspection device or a three-dimensional shape measuring device.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、電気かみそりの駆動部、ならびに、電動歯ブラシの駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used for, for example, an electric razor drive unit and an electric toothbrush drive unit.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、三次元物体の撮像デバイス或いはCD、DVD共用の読み出し光学系の焦点深度調整用デバイスの駆動部、複数の高分子アクチュエータ素子によって駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることによって所望の曲面を近似的に形成して焦点位置を容易に可変できる可変ミラーの駆動部、光ピックアップ等の磁気ヘッドの少なくとも一方を有する移動ユニットを直線移動させることが可能なディスク装置の駆動部、リニアテープストレージシステム等の磁気テープヘッド高分子アクチュエータ素子センブリのヘッド送り機構の駆動部、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリなどに適用される画像形成装置の駆動部、磁気ヘッド部材等の搭載部材の駆動部、集束レンズ群を光軸方向に駆動制御する光ディスク原盤露光装置の駆動部、光ヘッドを駆動するヘッド駆動手段の駆動部、記録媒体に対する情報の記録または記録媒体に記録された情報の再生を行う情報記録再生装置の駆動部、ならびに、回路しゃ断器(配電用回路しゃ断器)の開閉操作の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element has, for example, an imaging device for a three-dimensional object or a drive unit for a focus depth adjustment device for a CD and DVD readout optical system, and a shape to be driven with an active curved surface by a plurality of polymer actuator elements. A disk capable of linearly moving a moving unit having at least one of a magnetic head such as a variable mirror driving unit and an optical pickup that can easily change the focal position by forming a desired curved surface approximately by deforming Drive unit of device, drive unit of magnetic tape head polymer actuator element assembly head drive mechanism of linear tape storage system, etc., drive unit of image forming apparatus applied to electrophotographic copying machine, printer, facsimile, etc., magnetic The drive part of the mounting member such as the head member, the focusing lens group is the optical axis Drive unit for optical disk master exposure apparatus that controls driving in the direction, drive unit for head drive means for driving the optical head, drive unit for information recording / reproducing apparatus for recording information on the recording medium or reproducing information recorded on the recording medium In addition, it can be suitably used for a drive unit for opening / closing operation of a circuit breaker (distribution circuit breaker).
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、ゴム組成物のプレス成形加硫装置の駆動部、移送される部品について単列・単層化や所定の姿勢への整列をさせる部品整列装置の駆動部、圧縮成形装置の駆動部、溶着装置の保持機構の駆動部、製袋充填包装機の駆動部、マシニングセンタ等の工作機械や射出成形機やプレス機等の成形機械等の駆動部、印刷装置、塗装装置やラッカ吹き付け装置等の流体塗布装置の駆動部、カムシャフト等を製造する製造装置の駆動部、覆工材の吊上げ装置の駆動部、無杼織機における房耳規制体等の駆動装置、タフティング機の針駆動システム、ルーパー駆動システム、およびナイフ駆動システム等の駆動部、カム研削盤や超精密加工部品等の部品の研磨を行う研磨装置の駆動部、織機における綜絖枠の制動装置の駆動部、織機における緯糸挿通のための経糸の開口部を形成する開口装置の駆動部、半導体基板等の保護シート剥離装置の駆動部、通糸装置の駆動部、CRT用電子銃の組立装置の駆動部、衣料用縁飾り、テーブルクロスやシートカバー等に用途をもつトーションレースを製造するためのトーションレース機におけるシフターフォーク駆動選択リニア制御装置の駆動部、アニールウィンドウ駆動装置の水平移動機構の駆動部、ガラス溶融窯フォアハースの支持アームの駆動部、カラー受像管の蛍光面形成方法等の露光装置のラックを進退動させる駆動部、ボールボンディング装置のトーチアームの駆動部、ボンディングヘッドのXY方向への駆動部、チップ部品のマウントやプローブを使った測定などにおける部品の実装工程や測定検査工程の駆動部、基板洗浄装置の洗浄具支持体の昇降駆動部、ガラス基板を走査される検出ヘッドを進退させる駆動部、パターンを基板上に転写する露光装置の位置決め装置の駆動部、精密加工などの分野においけるサブミクロンのオーダで微小位置決め装置の駆動部、ケミカルメカニカルポリシングツールの計測装置の位置決め装置の駆動部、導体回路素子や液晶表示素子等の回路デバイスをリソグラフィ工程で製造する際に用いられる露光装置および走査露光装置に好適なステージ装置の位置決めのための駆動部、ワーク等の搬送または位置決め等の手段の駆動部、レチクルステージやウエハステージ等の位置決めや搬送のための駆動部、チャンバ内の精密位置決めステージ装置の駆動部、ケミカルメカニカルポリシングシステムでのワークピースまたは半導体ウェーハの位置決め装置の駆動部、半導体のステッパー装置の駆動部、加工機械の導入ステーション内に正確に位置決めする装置の駆動部、NC機械やマシニングセンタ等の工作機械等またはIC業界のステッパーに代表される各種機器用のパッシブ除振およびアクティブ除振の除振装置の駆動部、半導体素子や液晶表示素子製造のリソグラフィ工程に使用される露光装置等において光ビーム走査装置の基準格子板を上記光ビームの光軸方向に変位させる駆動部、ならびに、コンベヤの横断方向に物品処理ユニット内へ移送する移送装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element includes, for example, a drive unit of a rubber composition press molding vulcanizing device, a driving unit of a component aligning device that aligns a transferred component into a single row / single layer and a predetermined posture, compression Drive unit of molding device, drive unit of holding mechanism of welding device, drive unit of bag making filling and packaging machine, drive unit of machine tool such as machining center, molding machine such as injection molding machine and press machine, printing device, coating device Drive unit for fluid application devices such as sprayers and lacquer spraying devices, drive unit for manufacturing devices that manufacture camshafts, etc., drive unit for lifting devices for lining materials, drive devices such as tuft-regulators for unwoven looms, tufting Drive unit for machine needle drive system, looper drive system, knife drive system, etc., drive unit for polishing machine that polishes parts such as cam grinder and ultra-precision machined parts, braking of ridge frame in loom Assembling of the drive unit of the device, the drive unit of the opening device that forms the opening of the warp yarn for inserting the weft in the loom, the drive unit of the protective sheet peeling device such as a semiconductor substrate, the drive unit of the threading device, and the electron gun for CRT Drive unit of shifter fork drive selection linear controller in torsion race machine for manufacturing torsion races with application to device drive, clothing trim, table cloth, seat cover, etc., horizontal movement mechanism of annealing window drive Driving unit, driving unit of glass melting furnace forherth support arm, driving unit for moving back and forth of rack of exposure apparatus such as phosphor screen forming method of color picture tube, driving unit of torch arm of ball bonding apparatus, XY of bonding head Component mounting process and measurement inspection in driving direction, chip component mounting and measurement using probes, etc. Drive unit for the process, elevating drive unit for the cleaning tool support of the substrate cleaning apparatus, drive unit for moving the detection head that scans the glass substrate, drive unit for the positioning device of the exposure apparatus that transfers the pattern onto the substrate, precision processing When manufacturing circuit devices such as conductive circuit elements and liquid crystal display elements such as conductor circuit elements and liquid crystal display elements in the sub-micron order in the fields such as micro-positioning device drive units, chemical mechanical polishing tool measurement device drive units. A drive unit for positioning a stage device suitable for an exposure apparatus and a scanning exposure apparatus used in the above, a drive unit for means for conveying or positioning a workpiece, etc., and a drive unit for positioning and conveying a reticle stage, a wafer stage, etc. , Precision positioning stage drive in the chamber, chemical mechanical polishing system As a drive unit for positioning devices for semiconductors or semiconductor wafers, a drive unit for semiconductor stepper devices, a drive unit for devices that accurately position in the processing machine introduction station, a machine tool such as an NC machine or a machining center, or a stepper in the IC industry The reference grating plate of the light beam scanning device is used in a drive unit of a passive vibration isolation device for various types of representative devices and an active vibration isolation device, an exposure device used in a lithography process for manufacturing semiconductor elements and liquid crystal display elements, and the like. It can be suitably used for a drive unit that moves in the direction of the optical axis of the light beam and a drive unit of a transfer device that transfers the light beam into the article processing unit in the direction transverse to the conveyor.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、電子顕微鏡等の走査プローブ顕微鏡のプローブの位置決め装置の駆動部、ならびに、電子顕微鏡用試料微動装置の位置決め等の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used for, for example, a driving unit for a probe positioning device of a scanning probe microscope such as an electron microscope and a driving unit for positioning a sample micro-motion device for an electron microscope.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、自動溶接ロボット、産業用ロボットや介護用ロボットを含むロボットまたはマニピュレータにおけるロボットアームの手首等に代表される関節機構の駆動部、直接駆動型以外の関節の駆動部、ロボットの指のそのもの、ロボット等のハンドとして使用されるスライド開閉式チャック装置の運動変換機構の駆動部、細胞微小操作や微小部品の組立作業等において微小な対象物を任意の状態に操作するためのマイクロマニピュレータの駆動部、開閉可能な複数のフィンガーを有する電動義手等の義肢の駆動部、ハンドリング用ロボットの駆動部、補装具の駆動部、ならびにパワースーツの駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element is, for example, a joint drive unit represented by a wrist of a robot arm in a robot or manipulator including an automatic welding robot, an industrial robot or a nursing robot, or a joint drive unit other than a direct drive type. , A robot finger itself, a drive unit of a motion conversion mechanism of a slide open / close type chuck device used as a robot hand, a micro object to be manipulated in an arbitrary state in a cell micro operation or a micro part assembly operation, etc. It is preferably used for a driving part of a micromanipulator for driving, a driving part of a prosthesis such as an electric prosthesis having a plurality of fingers that can be opened and closed, a driving part of a handling robot, a driving part of a prosthesis, and a driving part of a power suit it can.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、サイドトリマの上回転刃または下回転刃等を押圧する装置の押圧部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be suitably used for, for example, a pressing portion of a device that presses an upper rotary blade or a lower rotary blade of a side trimmer.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、パチンコ等の遊戯装置における役物等の駆動部、人形やペットロボット等のアミューズメント機器の駆動部、ならびに、乗車用シミュレーション装置のシミュレーション装置の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element is suitably used for, for example, a driving unit for an accessory in a game machine such as a pachinko machine, a driving unit for an amusement device such as a doll or a pet robot, and a driving unit for a simulation apparatus for a boarding simulation apparatus. be able to.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、上記機器等を含む機械全般に用いられる弁の駆動部に用いることができ、たとえば、蒸発ヘリウムガスの再液化装置の弁の駆動部、ベローズ式の感圧制御弁の駆動部、綜絖枠を駆動する開口装置の駆動部、真空ゲート弁の駆動部、液圧システム用のソレノイド動作型制御バルブの駆動部、ピボットレバーを用いる運動伝達装置を組み込んだバルブの駆動部、ロケットの可動ノズルのバルブの駆動部、サックバックバルブの駆動部、ならびに、調圧弁部の駆動部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be used, for example, in a valve drive unit used in all machines including the above devices, for example, a valve drive unit of an evaporative helium gas reliquefaction device, and a bellows pressure-sensitive control. Valve drive unit, drive unit for opening device that drives the frame, drive unit for vacuum gate valve, drive unit for solenoid-operated control valve for hydraulic system, and drive for valve incorporating motion transmission device using pivot lever It can be suitably used for the drive part of the valve of the movable nozzle of the rocket, the drive part of the suck back valve, and the drive part of the pressure regulating valve part.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、上記機器等を含む機械全般に用いられるブレーキの押圧部として用いることができ、たとえば、非常用、保安用、停留用等のブレーキやエレベータのブレーキに用いて好適な制動装置の押圧部、ならびに、ブレーキ構造もしくはブレーキシステムの押圧部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be used, for example, as a pressing portion of a brake used in all machines including the equipment and the like. For example, the polymer actuator element is suitable for an emergency brake, a safety brake, a stop brake, and an elevator brake. It can be suitably used for a pressing portion of a braking device and a pressing portion of a brake structure or a brake system.
上記高分子アクチュエータ素子は、たとえば、上記機器等を含む機械全般に用いられるロック装置の押圧部として用いることができ、たとえば、機械的ロック装置の押圧部、車両用ステアリングロック装置の押圧部、ならびに、負荷制限機構および結合解除機構を合わせ持つ動力伝達装置の押圧部に好適に用いることができる。 The polymer actuator element can be used, for example, as a pressing portion of a locking device used in general machines including the above devices, etc., for example, a pressing portion of a mechanical locking device, a pressing portion of a vehicle steering lock device, and It can be suitably used for a pressing portion of a power transmission device having both a load limiting mechanism and a coupling release mechanism.
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。 Examples and the like specifically showing the configuration and effects of the present invention will be described below. In addition, the evaluation item in an Example etc. measured as follows.
<伸縮率の測定>
下記の方法により作製した高分子アクチュエータ素子の1酸化還元サイクル当たりの伸縮率(%)を測定した。
<Measurement of stretch rate>
The expansion / contraction rate (%) per oxidation-reduction cycle of the polymer actuator element produced by the following method was measured.
各高分子アクチュエータ素子を長さ15mm、幅2mmの短冊状とし、高分子アクチュエータ素子を動作電極とし、白金プレートを対向電極とし、各電極の端部にリードを接続し、各電極を上記電解液中に保持しながら、リードを介して電源と接続して、各周波数(Hz)における電位(−0.7〜+0.7V v.s. Ag/Ag+)を1サイクル印加して変位量(変位した長さ)を測定した。動作電極が1サイクルの印加(1酸化還元サイクル)で伸長と収縮とをすることにより得られた変位の差を、動作電極の元の長さで割ることにより、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率(%)を求めた。 Each polymer actuator element has a strip shape with a length of 15 mm and a width of 2 mm, the polymer actuator element as an operating electrode, a platinum plate as a counter electrode, a lead connected to the end of each electrode, and each electrode as the above electrolyte solution While being held in, it is connected to a power source via a lead, and a potential (−0.7 to +0.7 V vs. Ag / Ag + ) at each frequency (Hz) is applied for one cycle to apply a displacement amount ( Displaced length) was measured. The expansion / contraction rate per oxidation-reduction cycle is obtained by dividing the displacement obtained by extending and contracting the working electrode by applying one cycle (one redox cycle) by the original length of the working electrode. (%) Was calculated.
<変位角の測定>
下記の方法により作製した高分子アクチュエータ素子の変位角(°)を測定した。
<Measurement of displacement angle>
The displacement angle (°) of the polymer actuator element produced by the following method was measured.
作製した各高分子アクチュエータ素子について、一方の端部から2mm内側の位置において、一対の金属電極のそれぞれに通電できるように、白金端子にて高分子アクチュエータ素子の厚さ方向に挟み、膜面が重力方向と平行になるように握持した。 About each produced polymer actuator element, it sandwiched in the thickness direction of the polymer actuator element with a platinum terminal so that each of a pair of metal electrodes can be energized at a position 2 mm inside from one end, and the film surface is It was held so as to be parallel to the direction of gravity.
次に、ポテンショスタット(ボテンショ・ガルバノスタット HA−151、北斗電工社製)およびマルチファンクションジェネレータ(エヌエフ回路設計ブロック社製、ウェーブファクトリーWF1946)を用いて一対の金属電極の一方が正極、もう一方が負極となるようにして、±0.5Vの正弦波電圧を印加し、次いで0.5Hz周期で各金属電極に反対電圧が印加されるように電圧を印加し左右に往復する変位運動をさせた。 Next, using a potentiostat (Bottensio Galvanostat HA-151, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) and a multifunction generator (manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd., Wave Factory WF 1946), one of the pair of metal electrodes is the positive electrode and the other is the positive electrode A sine wave voltage of ± 0.5 V was applied so as to be a negative electrode, and then a voltage was applied so that an opposite voltage was applied to each metal electrode in a cycle of 0.5 Hz, and a displacement motion reciprocating left and right was performed. .
この往復変位運動における屈曲ないし変位した状態での高分子アクチュエータ素子の先端の変位凸面の接線方向と重力方向とのなす角を、室温にて、右側変位、左側変位とも測定し、これを平均して変位角とした。 The angle between the tangential direction of the displacement convex surface at the tip of the polymer actuator element in the reciprocating displacement movement and the state of gravity and the direction of gravity are measured at room temperature for both the right side displacement and the left side displacement, and this is averaged. The displacement angle was used.
<応答周波数の測定>
下記の方法により作製した高分子アクチュエータ素子の応答周波数(Hz)を測定した。
<Measurement of response frequency>
The response frequency (Hz) of the polymer actuator element produced by the following method was measured.
クリップで保持した部分から3mmの位置の挙動をレーザー変位計(キーエンス社製、LC−4000)で観察し、測定を行った。なお目視による評価については、外乱の影響を受けないようにガラスセル中に短冊状に切り出した(幅:2mm、測定長:15mm)バイモルフ素子を固定し、評価を行った。 The behavior at a position 3 mm from the portion held by the clip was observed with a laser displacement meter (manufactured by Keyence Corporation, LC-4000) and measured. The visual evaluation was performed by fixing a bimorph element (width: 2 mm, measurement length: 15 mm) cut into a strip shape in a glass cell so as not to be affected by disturbance.
〔実施例1〕
多孔質基材としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)フィルターフィルム(孔径15μm、フロン工業社製)、親水性PTFEメンブレンフィルター(厚さ29μm、空孔率60%、ジャパンゴアテックス社製)、親水性PTFEメンブレンフィルター(厚さ35μm、空孔率83%、アドバンテック東洋社製)、紙不織布セパレータ(TF−40、ニッポン高度紙社製)、を使用した。また、実施例2以降については、親水性PTFEメンブレンフィルター(厚さ35μm、空孔率83%、アドバンテック東洋社製)を使用した。
[Example 1]
As a porous base material, PTFE (polytetrafluoroethylene) filter film (pore diameter 15 μm, manufactured by Freon Industries), hydrophilic PTFE membrane filter (thickness 29 μm, porosity 60%, manufactured by Japan Gore-Tex), hydrophilic PTFE membrane filter (thickness 35 μm, porosity 83%, manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) and paper non-woven separator (TF-40, manufactured by Nippon Kogyo Paper Co., Ltd.) were used. For Example 2 and later, a hydrophilic PTFE membrane filter (thickness 35 μm, porosity 83%, manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.) was used.
図1に示すように、はじめに、多孔質基材(基材層10)の両面にスパッタリングで約0.1μmのAu層12を構築した。これを作用極として用い、電解重合方法(条件:ピロール、0.1mol/l、0℃)により、TBACF3SO3の安息香酸メチル溶液中にて0.2mA cm−2の電流密度で4時間定電流電解重合を行った。電解重合後アセトンで洗浄し、室内で乾燥させ、多孔質基材とPPy−CF3SO3 −14が複合化された、[PPy−CF3SO3 −−Au−多孔質基材−Au−PPy−CF3SO3 −]の5層構造からなるPPyバイモルフ素子を得た。このとき複合化されたPPy−CF3SO3 −層の厚みは10〜15μmであった。また空中駆動に用いるバイモルフ素子は、電解重合時間を調整してPPy−CF3SO3 −層14が約5μmのものを調製し用いた。
As shown in FIG. 1, first, an
表1に示すように、バイモルフタイプのアクチュエータにおいて、溶液中および空気中での動作特性を検討した。電解伸縮させる電解液にはアセトニトリル(1MのLiTFSI(ジトリフルオロメタンスルフォニルイミドのリチウム塩)を含有)溶液を用いた。空気中での評価は、グリセロールカーボネート(1MのLiTFSI(ジトリフルオロメタンスルフォニルイミドのリチウム塩)を含有)溶液中で駆動後、電解液から引き上げて表面の電解液を拭ったものを用いた。 As shown in Table 1, operation characteristics in a solution and in air were examined in a bimorph type actuator. A solution of acetonitrile (containing 1M LiTFSI (a lithium salt of ditrifluoromethanesulfonylimide)) solution was used as an electrolytic solution for electrolytic expansion and contraction. Evaluation in the air was performed by driving in a glycerol carbonate (containing 1 M LiTFSI (lithium salt of ditrifluoromethanesulfonylimide)) solution, and then lifting the electrolyte solution to wipe the surface electrolyte solution.
親水性PTFEメンブレンフィルターを基材に用いたものは、PPy−CF3SO3 −、PPy−TFSI−のどちらと複合化したアクチュエータにおいても、PPy層の基材からの剥離は30,000回の駆動後も発生せず、電解液中、空気中共に安定した変形を示した。一方、紙不織布セパレータを用いたものは電解液中、空気中共に動作可能であったが、しかし繰り返し動作を行ったところ、基材の不織布が破けてしまった。 One using a hydrophilic PTFE membrane filter to a substrate, PPy-CF 3 SO 3 - , PPy-TFSI - In both complexed with actuators, peeling from the substrate of the PPy layer 30,000 times It did not occur after driving, and showed stable deformation both in the electrolyte and in the air. On the other hand, those using a paper nonwoven fabric separator were operable both in the electrolyte solution and in the air, but when the operation was repeated, the nonwoven fabric of the base material was torn.
また、得られたPPy−CF3SO3 −のバイモルフ素子の断面写真を図2に示す。親水性PTFEメンブレンフィルターの表面に構成されたAu層を作用極として電解重合されたPPy−CF3SO3 −は、多孔質体である親水性PTFEメンブレンフィルター表面を覆うように重合されている。PTFE−MFとPPy−CF3SO3 −は強固に一体化され、長期にわたって剥離を起こさず安定した駆動が得られている。バイモルフ素子の表面のSEM写真を図3に示すが、得られたPPy−CF3SO3 −の表面は若干の凹凸を持った形状をしていた。複合化されたPPy−CF3SO3 −の厚みは、親水性PTFEメンブレンフィルターと複合化した層が出来ているため正確な測定が困難であるが、得られたバイモルフ素子の厚みをマイクロメーターで測定し、親水性PTFEメンブレンフィルターの厚みを除して計算したところ、10〜15μm程度であった。なお、図2において、(a)PPy−CF3SO3 −層、(b)Au層、(c)PTFEを示す。 Further, FIG. 2 shows a cross-sectional photograph of the obtained PPy—CF 3 SO 3 — bimorph element. PPy—CF 3 SO 3 — electropolymerized using the Au layer formed on the surface of the hydrophilic PTFE membrane filter as a working electrode is polymerized so as to cover the surface of the hydrophilic PTFE membrane filter which is a porous body. PTFE-MF and PPy-CF 3 SO 3 - are firmly integrated, and stable driving is obtained without causing peeling over a long period of time. An SEM photograph of the surface of the bimorph element is shown in FIG. 3, and the surface of the obtained PPy—CF 3 SO 3 — had a shape with some unevenness. The thickness of the composite PPy—CF 3 SO 3 — is difficult to measure accurately because a layer composited with a hydrophilic PTFE membrane filter is formed, but the thickness of the obtained bimorph element can be measured with a micrometer. It was about 10-15 micrometers when it measured and calculated excluding the thickness of the hydrophilic PTFE membrane filter. In FIG. 2, (a) PPy—CF 3 SO 3 — layer, (b) Au layer, and (c) PTFE are shown.
〔実施例2〕
図4に空中駆動型PPy−CF3SO3 −バイモルフアクチュエータの周波数に対する振幅挙動を示す。駆動電解液に高沸点有機溶媒であるグリセロールカーボネートを使用している。1.5Vの電圧印加を0.5Hzの周波数で印加したところ、1.95mm幅の振幅を示した。周波数を高くしていくとその振幅幅は減少していく。このアクチュエータは10Hzで0.67mm、100Hzで0.12mmの振幅挙動を示した。200Hz近辺では振幅幅が若干向上し、0.25mmの振幅挙動を示した。このバイモルフアクチュエータは300Hz以上の周波数にも応答を示し、従来の導電性高分子アクチュエータの性能を大幅に向上した周波数応答性を示した(印加電圧:±1.5V、測定位置:固定部から4mmの位置)。
[Example 2]
Figure 4 in the air-driven PPy-CF 3 SO 3 - shows the amplitude behavior with respect to the frequency of the bimorph actuator. Glycerol carbonate, which is a high boiling point organic solvent, is used for the driving electrolyte. When a voltage of 1.5 V was applied at a frequency of 0.5 Hz, an amplitude of 1.95 mm width was shown. As the frequency is increased, the amplitude width decreases. This actuator showed an amplitude behavior of 0.67 mm at 10 Hz and 0.12 mm at 100 Hz. In the vicinity of 200 Hz, the amplitude width was slightly improved, and an amplitude behavior of 0.25 mm was shown. This bimorph actuator also showed a response to a frequency of 300 Hz or higher, and showed a frequency response that greatly improved the performance of the conventional conductive polymer actuator (applied voltage: ± 1.5 V, measurement position: 4 mm from the fixed part). Position of).
さらには、動作電解液に高沸点有機溶媒であるグリセロールカーボネートを使用しているため、バイモルフ素子中に含浸された電解液が蒸発しにくく、長期にわたって空気中での使用が可能となった。電解液を含浸する処理を行った後、常温下で約1ヶ月保管したバイモルフ素子は、処理直後に測定した周波数応答性とほぼ同等の性能を維持していた。 Furthermore, since glycerol carbonate, which is a high-boiling organic solvent, is used as the operating electrolyte, the electrolyte impregnated in the bimorph element is difficult to evaporate, and it has become possible to use it in the air for a long period of time. The bimorph element stored for about one month at room temperature after the treatment impregnated with the electrolytic solution maintained substantially the same performance as the frequency response measured immediately after the treatment.
〔実施例3〕
分子量200のポリエチレングリコール(和光純薬社製)をビーカーに入れ、ジトリフルオロメタンスルフォニルイミドのリチウム塩(LiTFSI)を固体粉末のまま、濃度が1M、100mM、10mM、1mMになるように所定量を加えて室温で攪拌し、各濃度の溶解液を電解液とした。
Example 3
A polyethylene glycol (made by Wako Pure Chemical Industries) with a molecular weight of 200 is put into a beaker, and a predetermined amount is adjusted so that the concentration is 1 M, 100 mM, 10 mM, 1 mM while the lithium salt of ditrifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI) remains as a solid powder. In addition, the solution was stirred at room temperature, and the solution of each concentration was used as the electrolyte.
この電解液に実施例2と同様にPPy−CF3SO3 −バイモルフ素子を室温で2日間浸漬した後に各溶液中で駆動後電解液から引き上げて表面の電解液を拭った。 The implementation in the electrolytic solution Example 2 in the same manner as PPy-CF 3 SO 3 - wiped electrolyte surface by pulling from the drive after the electrolyte in each solution a bimorph element was immersed for 2 days at room temperature.
次に、各アクチュエータを1.5Vの印加電圧のもとで0.5Hzの矩形波駆動を行なって、実施例2と同様な処方でその振幅を測定したところ、電解質濃度の低下に伴ってその振幅は1.8mm、1.5mm、0.5mm、0.1mmと低下した。常温下、湿度フリーで1週間放置した後に同様な駆動と振幅評価を行なったところ、4個の各アクチュエータは±10%の範囲内の偏差で振幅が一致した。 Next, each actuator was driven at a rectangular wave of 0.5 Hz under an applied voltage of 1.5 V, and its amplitude was measured with the same prescription as in Example 2. As the electrolyte concentration decreased, the actuator The amplitude decreased to 1.8 mm, 1.5 mm, 0.5 mm, and 0.1 mm. When the same drive and amplitude evaluation were performed after leaving for one week at room temperature and free of humidity, the amplitudes of the four actuators matched with a deviation within a range of ± 10%.
〔実施例4〕
ポリエチレングリコールモノラウレートとグリセロールカーボネートを体積比で1/1になるように混合してからこの混合液と等量のアセトニトリル液(1MのLiTFSIを含む)に溶解させ、実施例2と同様にPPy−CF3SO3 −バイモルフ素子を40℃で5時間浸漬した後で溶液中で駆動後電解液から引き上げて表面の電解液を拭いアクチュエータを得た。
Example 4
Polyethylene glycol monolaurate and glycerol carbonate were mixed at a volume ratio of 1/1 and then dissolved in an equal volume of acetonitrile solution (including 1M LiTFSI), and PPy as in Example 2. -CF 3 SO 3 - was obtained actuator wiped electrolyte surface by pulling after driving in solution in the electrolyte solution after immersion for 5 hours at the bimorph element 40 ° C..
このアクチュエータを室温で20Hz程度で共振するような大きさ(2mm幅×10mm長さ)にカットし、1.5Vの正弦波駆動を行なったところ、電圧印加時間が24時間を経過してもその振幅の減衰量は5%以内に止まった。 When this actuator was cut to a size (2 mm width × 10 mm length) that resonates at about 20 Hz at room temperature and sine wave drive of 1.5 V was performed, even if the voltage application time passed 24 hours, Amplitude attenuation stopped within 5%.
〔実施例5〕
分子量200のポリエチレングリコールとイオン流体(イオン性液体)としてのスルフォイミド塩(N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド)の1/1体積比混合液を等量のアセトニトリル液に溶解させ、実施例2と同様にPPy−CF3SO3 −バイモルフ素子を40℃で5時間浸漬した後で溶液中で駆動後電解液から引き上げて表面の電解液を拭いアクチュエータを得た。
Example 5
1/1 volume of polyethylene glycol having a molecular weight of 200 and a sulfoimide salt (N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) as an ionic fluid (ionic liquid) the ratio mixture was dissolved in acetonitrile solution of an equal amount, example 2 in the same manner as PPy-CF 3 sO 3 - of the surface by pulling from the drive after the electrolytic solution in the solution after immersion for 5 hours at the bimorph element 40 ° C. The electrolytic solution was wiped off to obtain an actuator.
このアクチュエータを20Hz程度で共振するような大きさ(2mm幅×10mm長さ)にカットした後に恒温槽に入れ、槽内を湿度フリーの下で−10℃に維持しつつ、1.5Vの正弦波駆動を行なったところその振幅量は室温(25℃)時の約30%を保ちつづけたことから、極低温下での実用に供されることが判明した。 This actuator is cut to a size that resonates at about 20 Hz (2 mm width × 10 mm length), and then placed in a thermostatic bath. The inside of the bath is maintained at −10 ° C. under humidity-free conditions, and a sine of 1.5 V When the wave drive was performed, the amplitude amount was kept at about 30% at room temperature (25 ° C.), and it was proved that it was put to practical use at a very low temperature.
10 基材層
12 金属電極層
14 導電性高分子
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記駆動電解液が、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物を含む溶液であることを特徴とする高分子アクチュエータ素子。 A polymer actuator element comprising a conductive polymer and a driving electrolyte,
A polymer actuator element, wherein the driving electrolyte is a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure.
テトラアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリニウムイオン、ピロリジニウムイオン、およびピペリジニウムイオンからなる群より少なくとも一種選ばれたカチオンと、
PF6 −、BF4 −、AlCl4 −、ClO4 −、および下記式(I)で示されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオンとの組合せからなる塩を含む請求項6に記載の高分子アクチュエータ素子。
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)N− (I)
〔上記式(1)において、mおよびnは任意の整数。〕 The ionic liquid is
A cation selected from at least one selected from the group consisting of tetraalkylammonium ion, dialkylimidazolium ion, trialkylimidazolium ion, pyrazolium ion, pyrrolium ion, pyrrolium ion, pyrrolidinium ion, and piperidinium ion;
7. A salt comprising a combination of PF 6 − , BF 4 − , AlCl 4 − , ClO 4 − , and an anion selected from the group consisting of sulfonium imide anions represented by the following formula (I): The polymer actuator element as described.
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (I)
[In the above formula (1), m and n are arbitrary integers. ]
(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)N− (1)
〔上記式(1)において、mおよびnは任意の整数。〕 The polymer actuator element according to claim 1, wherein the conductive polymer is a film-like conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylimide ions represented by the following formula (1).
(C m F (2m + 1 ) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) N - (1)
[In the above formula (1), m and n are arbitrary integers. ]
(ClF(2l+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)(CnF(2n+1)SO2)C− (2)
〔上記式(2)において、l、mおよびnは任意の整数。〕 The polymer actuator element according to any one of claims 1 to 8, wherein the conductive polymer is a film-like conductive polymer doped with perfluoroalkylsulfonylmethide ions represented by the following formula (2). .
(C l F (2l + 1 ) SO 2) (C m F (2m + 1) SO 2) (C n F (2n + 1) SO 2) C - (2)
[In the above formula (2), l, m and n are arbitrary integers. ]
前記導電性高分子を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記導電性高分子から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする高分子アクチュエータ素子の製造方法。 A method for producing a polymer actuator element comprising a conductive polymer and a driving electrolyte, wherein the driving electrolyte is a solution containing a nonionic organic compound that is liquid at normal temperature and pressure,
A first step of immersing the conductive polymer in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under a normal temperature and a normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the conductive polymer;
A method for producing a polymer actuator element, comprising:
前記複合膜を、常温常圧下で液状の非イオン性有機化合物、極性溶媒、および電解質を含む混合溶液に浸漬する第一工程、および、
前記複合膜から前記極性溶媒を除去する第二工程、
を含むことを特徴とする高分子アクチュエータ素子の製造方法。 A method for producing a polymer actuator element comprising a composite membrane in which the conductive polymer is disposed on both sides of a porous substrate via a metal electrode layer and a driving electrolyte,
A first step of immersing the composite membrane in a mixed solution containing a liquid nonionic organic compound, a polar solvent, and an electrolyte under normal temperature and normal pressure; and
A second step of removing the polar solvent from the composite membrane;
A method for producing a polymer actuator element, comprising:
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